Выпрямители

Назначение выпрямителя

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.

Однополупериодный выпрямитель

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 V_R меньше амплитуды входного переменного напряжения V_A на величину V_F – 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 2V_A.

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.

Мостовой выпрямитель

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 2V_F – сумму падения напряжения на диодах, поскольку в мостовой схеме ток проходит через два диода:

Именно поэтому применение мостовой схемы нецелесообразно при низких входных напряжениях (менее 12-15 В) поскольку «все упадет» на диодах.

Максимальное напряжение на диодах равно единичному входному максимальному напряжению V_A.

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.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора

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 V_F – прямого падения напряжения на диоде:

В некотором роде этот выпрямитель представляет собой два однополупериодных выпрямителя включенных параллельно друг другу, но питающихся от обмоток находящихся в противофазе. Максимальное напряжение на диодах равно удвоенному входному максимальному напряжению 2V_A.

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.

Работа выпрямителей совместно с конденсатором фильтра

Как правило, выпрямители работают в связке с конденсатором фильтра выполняющим функцию буферного накопителя энергии и сглаживающим пульсации напряжения. Эта схема включения выпрямителей имеет свои особенности. Об этом ниже.

Однополупериодный выпрямитель с конденсатором фильтра

Каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на два интервала (рисунок RECT.8):

I – в течение первого интервала когда напряжение источника превышает текущее значение напряжения на конденсаторе, диод находится в прямом смещении и проводит ток который подзаряжает конденсатор фильтра.

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на только что подзаряженном конденсаторе фильтра, при этом к диоду приложено обратное напряжение и он не проводит ток. В этом интервале напряжение на фильтрующем конденсаторе плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки. Величина обратного напряжения приложенного к диоду складывается из напряжения на конденсаторе V_C и напряжения источника (обратная полуволна). Таким образом, в точке максимума к диоду фактически прикладывается удвоенное напряжение источника.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит только один раз в течение всего периода. К диоду прикладывается удвоенное напряжение питания выпрямителя.

Мостовой выпрямитель с конденсатором фильтра

В данном случае каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на четыре интервала (рисунок RECT.10):

I – в течение первого интервала текущее значение напряжения источника (положительная полуволна) превышает напряжение на конденсаторе, диоды VD2, VD3 в открыты прямом смещении и ток источника подзаряжает конденсатор фильтра. При этом к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение равное V_A (которое в этот период достигает своего максимума):

где:

V_F – прямого падения напряжения на диоде.

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диодам VD2, VD3прикладывается запирающее напряжение. В этот период все диоды моста находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.10):

Напряжение на фильтрующем конденсаторе V_C плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

III – в течение третьего интервала в момент когда напряжение отрицательной полуволны превышает напряжение на конденсаторе, другая пара диодов VD1, VD4 открывается и снова подзаряжается конденсатор фильтра. При этом уже к другой паре диодов VD2, VD3 прикладывается обратное напряжение равное V_A (которое в этот период достигает своего максимума).

IV – в течение четвертого интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диодам VD2, VD3прикладывается запирающее напряжение. В этот период все диоды моста находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.10):

В течение интервала напряжение на фильтрующем конденсаторе плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит два раза в течение всего периода. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно амплитуде напряжения питания выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой с конденсатором фильтра

Аналогично мостовому выпрямителю каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на четыре интервала (рисунок RECT.12):

I – в течение первого интервала текущее значение напряжения V_A₁ верхней обмотки превышает напряжение на конденсаторе, диод VD1 в открыт и к конденсатор фильтра подзаряжается. При этом диоду VD2 прикладывается обратное напряжение сумме напряжений обмотки трансформатора V_A₂ (которое в этот период достигает своего максимума) и напряжения на конденсаторе V_C:

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение на верхней обмотке становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра C_F к диоду VD1 прикладывается запирающее напряжение. В этот период оба диода находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.12):

В течение интервала напряжение на конденсаторе фильтра плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

III – в течение третьего интервала аналогично интервалу I когда текущее значение напряжения V_A₂ верхней обмотки превышает напряжение на конденсаторе, диод VD2открывается и конденсатор фильтра подзаряжается. К диоду VD1 прикладывается обратное напряжение сумме напряжений обмотки трансформатора V_A₁ (которое в этот период достигает своего максимума) и напряжения на конденсаторе V_C:

IV – в течение четвертого интервала, который начинается когда напряжение на нижней обмотке V_A₂ становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диоду VD2 прикладывается запирающее напряжение. В этот период оба диода находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.12):

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит два раза в течение всего периода. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно удвоенной амплитуде напряжения на обмотке V_A₁, V_A₂.

Расчет емкости конденсатора при заданном уровне пульсаций напряжения на выходе мостового выпрямителя с конденсатором фильтра

Напряжение на входе и выходе мостового выпрямителя имеет вид, представленный на рисунке RECT.13 [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. М.: Радио и Связь, 1987. 160 с.]. Там же представлены формы импульсов тока через диоды и тока нагрузки.

Видно, что энергия, запасаемая в конденсаторе фильтра передается в нагрузку в течение времени:

где:

θ – угол в радианах (часть периода) в течение которого осуществляется заряд конденсатора.

Количество переданной энергии равно:

где:

P – мощность, потребляемая нагрузкой.

С другой стороны, количество переданной энергии также равно:

где:

V_C_{_}_max – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔV_С – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

C_f – емкость конденсатора фильтра.

Приравнивая эти выражения для количества переданной энергии получим:

И поскольку:

То можно выразить емкость конденсатора, обеспечивающую заданный уровень пульсаций:

или в другом виде:

При малом уровне пульсаций можно полагать, что:

где:

I_load_{_}_rms – среднеквадратичное значение тока нагрузки;

V_out_{_}_rms – среднеквадратичное значение напряжения на нагрузке.

Или сокращая множители в числителе и знаменателе получаем выражения для расчета емкости конденсатора фильтра С_f обеспечивающий заданный уровень пульсаций ΔV_С (при условии синусоидальной форме напряжения):

где:

V_C_{_}_max – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔV_С – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

I_load_{_}_rms – действующее (среднеквадратичное) значение тока нагрузки;

f – частота.

Здесь максимальное напряжение на конденсаторе фильтра V_C_{_}_max меньше амплитуды входного переменного напряжения V_A на величину падения напряжения на выпрямителе V_rect:

Соотношения для расчета емкости конденсатора для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с конденсатором фильтра аналогично.

Расчет амплитуды импульсов тока при заданном уровне пульсаций напряжения на выходе мостового выпрямителя с конденсатором фильтра

Оценим амплитуду импульсов тока через диоды мостового выпрямителя.

Длительность импульса тока Δt_θ составляет:

Принимаем, что амплитуда пульсаций тока незначительна и ток через нагрузку можем считать постоянным и равным среднему току нагрузки I_load_{_}_avg, тогда заряд, протекающий через нагрузку в течение половины периода равен:

Форма импульсов тока через выпрямительные диоды хорошо аппроксимируется треугольником с высотой равной амплитудному значению тока I_VD_{_}_max и шириной основания равной длительности Δt_θ . Тогда заряд, протекающий через диоды за полупериод равен:

Из равенства электрического заряда проходящего через диоды полумоста Q_VD и заряда проходящего через нагрузку Q_load в течение полупериода следует соотношение:

Откуда следует выражение для определения амплитуды импульсов тока:

Подставляя в которое выражение для длительности импульса тока Δt_θ получаем:

где:

V_C_{_}_max – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔV_С – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

I_load_{_}_avg – среднее значение тока нагрузки;

f – частота.

Расчет по данным соотношениям имеет погрешность порядка 20-30 % (но в большую сторону, то есть с запасом).

Соотношения для расчета пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с конденсатором фильтра аналогично.