Для харчування електронної апаратури, електродвигунів постійного струму, електролізних і інших установок виникає необхідність в випрямленні змінного струму в постійний.
Під випрямленням розуміється процес перетворення змінного струму в постійний за допомогою пристроїв, що володіють односторонньою провідністю (електричних вентилів).
Випрямні пристрої зазвичай складаються з трьох основних елементів: трансформатора, електричного вентиля і фільтра, що згладжує. Трансформатор дозволяє змінювати значення змінної напруги, одержуваного від джерела живлення до значення необхідного випрямленої напруги.
Випрямлення змінного струму здійснюється електричним вентилем. Електричні вентилі за своїми вольт - амперних характеристик поділяються на дві групи. До першої відносять вакуумні електронні і напівпровідникові діоди, вольт - амперні характеристики яких для провідного напряму можуть бути наближено представлені похилими прямими, що проходять через початок координат (рис. 7.1, а).
До другої відносять газорозрядні (іонні) прилади, у яких залежність струму від напруги може бути представлена вертикальної прямої (рис. 7.1, б).
Згладжують фільтри призначені для зменшення пульсації випрямленої струму і напруги на виході випрямних пристроїв.
При випрямленні змінного струму в залежності від числа фаз мережі, яка живить випрямний пристрій, і характеру навантаження, а також вимог, що пред'являються до випрямленою струмом та напругою, електричні вентилі можуть бути з'єднані за різними схемами.
При випрямленні однофазного змінного струму найпростішими схемами випрямлення є одне - і двонапівперіодна однотактний однофазні схеми.
Однотактним випрямними пристроями є такі, в яких струм у вторинній обмотці трансформатора в процесі випрямлення протікає тільки в одному напрямку, в двотактних випрямних пристроях - в обох напрямках.
Схема однотактного однофазного однополупериодного випрямлення представлена на рис. 7.2. В якості електричного вентиля в цій схемі використовується напівпровідниковий діод Д.
При подачі змінного синусоїдального напруги на первинну обмотку трансформатора напруга на затискачах вторинної його обмотки буде також змінним синусоїдальним, т. Е.
Діод проводить електричний струм тільки в тому випадку, коли його анод щодо катода має позитивний потенціал. Тому струм в ланцюзі (вторинна обмотка трансформатора, діод і навантаження) протікає тільки в одному напрямку, т. Е. Протягом однієї половини періоду змінної напруги. В результаті цього струм у ланцюзі навантаження виявляється пульсуючим (незмінним у напрямку, але постійно змінюваних за значенням). При цьому амплітудне значення струму (відносно невеликим опором діода в прямому напрямку можна знехтувати)
де RH - опір споживача електроенергії (навантаження). Крива одержуваного в процесі однополупериодного випрямлення пульсуючого струму може бути розкладена в гармонійний ряд Фур'є:
З наведеного виразу випливає, що пульсуючий струм при однополуперіодним випрямленні, крім змінних складових різних амплітуд і частот, містить також і постійну складову. При цьому постійну складову напруги на навантаженні або середнє значення випрямленої напруги з урахуванням виразу для струму визначають зі співвідношення
Висловлюючи середнє значення випрямленої напруги через діюче значення напруги на вторинній обмотці трансформатора, маємо
Однонапівперіодне випрямлення змінного струму характеризується глибокими пульсаціями випрямленої струму і напруги (рис. 7.3), які обумовлюються наявністю в кривих випрямленого струму і напруги змінних складових - пульсацій. Для оцінки пульсацій в тій чи іншій схемі випрямлення вводять коефіцієнт пульсацій - q, під яким розуміється відношення амплітуди Ат найбільш вираженої гармонійний складової, що входить в криві випрямленого струму або напруги, до постійної складової струму або напруги в вихідний ланцюга випрямляча: q
Для однополупериодного випрямлення з урахуванням гармонійних складових струму коефіцієнт пульсацій
Протягом половини періоду, коли анод діода має негативний щодо катода потенціал, він струму не проводить, при цьому через діод можливий деякий відносно невеликий зворотний струм, впливом якого в багатьох випадках можна знехтувати.
Напруга, що сприймається діодом в непровідний напівперіод, - зворотна напруга Uобр (t) при цьому визначається значенням напруги U2 (t) на вторинній обмотці трансформатора.
Отже, максимальне значення зворотної напруги, яке докладено до діода в даній схемі, так само амплітудному значенням напруги U2m на вторинній обмотці трансформатора, т. Е.. Тому при виборі діода для схеми однополупериодного однофазного однотактного випрямлення необхідно, щоб максимально допустимий
зворотна напруга діода було більше або дорівнює амплітудному значенням напруги на вторинній обмотці трансформатора.
До недоліків однополупериодной схеми випрямлення слід віднести значні пульсації випрямлених струму і напруги, а також недостатньо високий використання трансформатора, так як по його вторинній обмотці при цьому протікає струм тільки протягом напівперіоду. Випрямлячі подібного типу застосовують головним чином в малопотужних установках, коли випрямлений струм малий, а досить задовільний згладжування пульсацій може бути забезпечено за допомогою фільтра.
Схема двухполуперіодного однотактного випрямляча представлена на рис. 7.4. Розглянутий двонапівперіодний випрямляч являє собою поєднання двох однополуперіодних випрямлячів із загальним навантаженням. При цьому напруга і 2 на кожній половині вторинної обмотки трансформатора (1-3 і 3 -2) можна розглядати як два незалежних синусоїдальних напруги, зсунутих відносно один одного по фазі на кут 180 °. Так як кожен діод проводить струм тільки протягом тієї половини періоду, коли анод його стає позитивним щодо катода, то неважко бачити, що при заданому на рис. 7.4 напрямку напруги на вторинній обмотці трансформатора проводити струм буде діод Д1. Діод Д2 при цьому буде закритий.
При зміні напрямку напруги на вторинній обмотці трансформатора проводять стає діод Д2, а діод Д1 пропускати струм не буде, так як його анод по відношенню до катода при цьому має негативний потенціал. Таким чином, діоди в схемі будуть знаходитися в провідному стані в різні напівперіоди напруги на обмотках трансформатора. В результаті діаграми випрямлених струму і напруги на виході випрямного пристрою рис. 7.4 матимуть вигляд, представлений на рис. 7.5.
Криву випрямленого струму при двопівперіодним випрямлянні можна розкласти в гармонійний ряд Фур'є:
При цьому, так само як і для схеми однополупериодного випрямлення, поряд зі змінними складовими гармонійний ряд містить і постійну складову струму. Постійна складова напруги на навантаженні (середнє значення випрямленої напруги)
де - максимальне (амплітудне) значення випрямленого струму; - амплітудне значення напруги половини вторинної обмотки трансформатора.
Як видно з отриманого виразу, середнє значення випрямленої напруги на навантаженні при двонапівперіодною схемою збільшується вдвічі в порівнянні з однополупериодной схемою випрямлення.
Висловлюючи середнє значення випрямленої напруги на навантаженні через діюче значення напруги на половині вторинної обмотки трансформатора, отримуємо
Як випливає з рис. 7.5, пульсації струму в двонапівперіодною схемою значно зменшуються в порівнянні зі схемою однополупериодного випрямлення. Коефіцієнт пульсації в даному випадку
Максимальне значення зворотної напруги на діодах в розглянутій схемі
Дійсно, коли один з діодів пропускає струм, потенціал його катода виявляється практично рівним потенціалу анода, так як незначним падінням напруги на діоді при цьому можна знехтувати. Той же потенціал має і катод другого діода, в дану частину періоду непропускающего ток,
гак як катоди обох діодів в схемі пов'язані. В результаті різниця потенціалів катода і анода непропускающего діода дорівнює різниці потенціалів висновків 1 і 2 вторинної обмотки трансформатора, т. Е. (Див. Рис. 7.5).
У порівнянні зі схемою однополупериодного випрямляча в двопівперіодним струм у вторинній обмотці трансформатора не містить постійної складової, так як в цій обмотці струм протікає протягом всього періоду, внаслідок чого підмагнічування осердя в даному випадку відсутня, теплові втрати при цьому зменшуються.
З огляду на це застосування двонапівперіодною схеми випрямлення більш переважно, ніж однополупериодной.
Зниження зворотної напруги, що впливає на діод в непровідну частину періоду, і зменшення розрахункової потужності трансформатора при двопівперіодним випрямлянні змінного струму можна досягти при переході від однотактной схеми до двотактної (мостовий) схемою.
Випрямляч, виконаний по мостовій схемі (рис. 7.6), дозволяє отримати двохнапівперіодне випрямлення змінного струму при повному використанні потужності трансформатора, що не має середнього виводу від вторинної обмотки. У цій схемі протягом напівперіоду, коли потенціал виведення вторинної обмотки трансформатора буде вище потенціалу його виведення Ь, ток пропускають діоди 1 і 3. При цьому діоди 2 і 4 знаходяться в непроводящем стані. Наступний напівперіод будуть проводити струм відповідно діоди 2 і 4 (ланцюг струму вказана пунктирними стрілками на рис. 7.6), а діоди 1 і 3 будуть знаходитися в непроводящем стані. Зі схеми видно, що напрямок струму в ланцюзі навантаження протягом обох напівперіодів змінної напруги при цьому не змінюється.
Таким чином, розглянута схема є схемою двох-полупериодного випрямлення. Значення середнього випрямленої напруги на навантаженні і коефіцієнта пульсації для випрямляча (див. Рис. 7.6) визначаються так само, як і для однотактного двухполуперіодного випрямляча.
Дана схема випрямлення дозволяє отримати заданий випрямлена напруга при числі витків вторинної обмотки трансформатора, вдвічі меншому, ніж в однотактной двонапівперіодною схемою випрямлення (див. Рис. 7.4) при інших рівних умовах.
Так як у вторинній обмотці трансформатора в розглянутій схемі протікає не пульсуючий, а синусоїдальний змінний струм, це дозволяє зменшити габарити трансформатора в порівнянні з трансформатором, необхідним для харчування однотактного двухполуперіодного випрямляча, розрахованого на ту ж потужність, приблизно в 1,5 рази.
Значення максимального зворотного напруги при однаковому випрямленій напрузі Ud для мостової схеми (див. Рис. 7.6) також виявляється в два рази менше, ніж для однотактной двонапівперіодною схеми випрямлення (див. Рис. 7.4).
Мостові схеми дозволяють здійснювати випрямлення змінного струму в постійний без використання трансформатора при безпосередньому підведенні мережевого змінної напруги до вентильному мосту, коли напруга мережі живлення знаходиться у відповідності з випрямляють напругу.
Розглянуті схеми випрямлення мають відносно великі значення коефіцієнта пульсацій. Тим часом для харчування більшої частини електронної апаратури потрібно випрямлена напруга з коефіцієнтом пульсації, що не перевищує значень q = 0,002-0,02.
Коефіцієнт пульсацій випрямленої напруги можна значно знизити, якщо на виході випрямляча включити згладжує електричний фільтр. Найпростішими згладжуючими фільтрами є конденсатор, що включається паралельно слаботочной навантаженні (рис. 7.7), і дросель, що включається послідовно з потужнострумової навантаженням (рис. 7.8).
Інші фільтри (комбіновані), що представляють собою поєднання ємнісних і індуктивних елементів, дозволяють отримати досить малі значення коефіцієнта пульсації.
При використанні найпростішого ємнісного фільтра згладжування пульсацій випрямленої напруги і струму відбувається за рахунок періодичної зарядки конденсатора фільтра CФ (коли напруга на виході трансформатора перевищує напругу на навантаженні) і подальшої його розрядки на опір навантаження Rн.
Конденсатор, як відомо, не пропускає постійної складової струму і володіє тим меншим опором для змінних складових, чим вище їх частота. Ємнісні фільтри переважно застосовувати в схемах випрямлення з малими значеннями випрямленого струму, так як при цьому зростає ефективність згладжування.
Найпростіший індуктивний згладжує фільтр складається з індуктивної котушки - дроселя, що включається послідовно з навантаженням. В результаті пульсацій випрямленого струму в котушці індуктивності виникає електрорушійна сила само-індукції, яка в силу закону електромагнітної індукції прагне згладити пульсації струму в ланцюзі навантаження, а отже, і пульсації напруги на її затискачах. Індуктивні фільтри зазвичай застосовують в схемах випрямлення з великими значеннями випрямленого струму, так як в цьому випадку збільшується ефективність згладжування.
У тих випадках, коли необхідне застосування випрямного пристрою з регульованим значенням випрямленої напруги, використовують керовані випрямлячі з тиристорами, які є керованими напівпровідниковими приладами, що мають три переходи (рис. 7.9, а, б). Під дією прямого прикладеної напруги два крайніх з них відкриті, а середній - закритий. Під дією керуючого струму середній р-п - пе реход відкривається і тиристор в прямому напрямку проводить електричний струм як звичайний напівпровідниковий діод. При зміні полярності прикладеної до тиристору напруги початкове (закрите) стан середнього р-п-переходу відновлюється і протікання струму в ланцюзі тиристора припиняється.
Змінюючи керуючий струм I упр. можна змінювати момент відкривання тиристора в часі, а отже, напруга включення Uвкл і змінювати випрямлений струм і напруга на навантаженні.