Полупроводниковые выпрямители — часть1

Сегодня немножко углубимся в теорию и поговорим о схемах выпрямителей. Рассмотрим сам принцип выпрямления переменного тока, наиболее часто встречающиеся схемы выпрямителей, полупроводниковые элементы, которые применяются в этих схемах.

Выпрямителями называются устройства, предназначенные для преобразования переменного тока в постоянный. Общая схема стандартного однофазного выпрямителя состоит из трансформатора, выпрямительного блока на основе полупроводниковых диодов и сглаживающего фильтра в виде конденсатора.

Трансформатор служит для преобразования переменного напряжения сети 220 V в необходимое выходное напряжение нагрузки. Выпрямительный блок (диодный мост) преобразовывает переменный ток в постоянный пульсирующий, а сглаживающий фильтр преобразовывает его в ток, близкий по форме к постоянному току.

В качестве диодных выпрямителей могут использоваться как четыре отдельных диода, так и диодная сборка в едином корпусе. На схемах диодный мост обычно изображается таким образом:

Современные выпрямители различают по типу используемых выпрямителей, схеме их включения и числу фаз. Также выпрямители могут быть управляемые и неуправляемые.

Однофазные выпрямители

Основными схемами однофазных выпрямителей являются однополупериодная и двухполупериодная (мостовая или со средней точкой).

Однофазная однополупериодная схема является самой простейшей схемой выпрямителя.

Трансформатор преобразовывает сетевое напряжение первичной обмотки Uc в напряжение вторичной обмотки U2. Так как диод Д имеет одностороннюю проводимость, ток I2 будет протекать только при положительной полуволне вторичного напряжения, при отрицательной полуволне диод будет закрыт. Так как ток в нагрузке Rн протекает только в один полупериод, отсюда и название выпрямителя — однополупериодный.

К недостаткам однополупериодных выпрямителей следует отнести униполярный ток, который, проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД, высокий уровень пульсаций и большое обратное напряжение на диоде.

Двухполупериодные схемы выпрямления уже значительно интересней. Из них наибольшую популярность приобрела мостовая схема включения диодов.

Схема состоит из трансформатора и четырех диодов,собранных мостом. Одна из диагоналей моста соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора, вторая диагональ с нагрузкой. При положительном потенциале в точке a вторичной обмотки трансформатора ток пойдет по цепи точка a вторичной обмотки - A - диод Д1 - B - нагрузка Rн — D — диод Д3. К диодам Д2 и Д4 при этом приложено обратное напряжение, они заперты. При изменении направления Э.Д.С и тока во вторичной обмотке положительный потенциал появится уже в точке b вторичной обмотки трансформатора. Ток при этом пойдет по цепи b — C — диод Д2 — B — нагрузка Rн — D — диод Д4.

Таким образом ток в нагрузке не меняет своего направления. Кривые напряжения и тока на нагрузке повторяют (при прямом напряжении на диодах U np ≈ 0) по величине и форме выпрямленные полуволны напряжения и тока вторичной обмотки трансформатора. Они пульсируют от нуля до максимального значения.

Кроме мостовой схемы выпрямления может применяться двунаправленная схема.

Схема состоит из трансформатора со средней отпайкой на вторичной обмотке и двух диодов. Когда в точке a имеется положительный потенциал ток протекает по цепи a — диод Д1 — нагрузка Rн — отпайка 0 вторичной обмотки. При положительном потенциале в точке b вторичной обмотки ток потечет по цепи b — диод Д2 — с — нагрузка Rн — отпайка 0 вторичной обмотки.

На левом рисунке показана зависимость напряжения вторичной обмотки трансформатора от времени, на правом изменение тока нагрузки. Как следует из работы выпрямителя, направление тока в нагрузке неизменно. Вторичная обмотка трансформатора двухфазная и каждая фаза работает половину периода. Напряжение на нагрузке в любой момент равно мгновенному значению ЭДС фазы, работающей в данный момент.

К основным минусам данной схемы можно отнести необходимость делать отпайку вторичной обмотки трансформатора и большое обратное напряжение диода Uобр = 2U2м = 3,14U0, поэтому она не получила столь широкого распространения как мостовая схема.

Трехфазные выпрямители

Среди трехфазных схем наибольшее распространение получили однонаправленная схема выпрямления или схема Миткевича и мостовая схема, известная также как схема Ларионова.

Рассмотрим сначала однонаправленную схему выпрямителя.

В однонаправленной схеме вторичные обмотки трехфазного трансформатора соединены звездой. К фазам а, b и с подключены диоды Д1, Д2 и Д3, катоды которых соединены в точке 0. Нагрузка Rн подключена между общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора и общей точкой присоединения катодов.

Ток на каждом диоде будет протекать только тогда, когда потенциал на аноде будет выше потенциала на катоде. Это возможно в течении 1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух других фазах. То есть когда U2а>U2b и U2a>U2c, диод Д1 будет открыт, в то время как Д2 и Д3 будут заперты. Под действием напряжения U2а ток замыкается через обмотку фазы а, диод Д1 и нагрузку Rн. В следующую треть периода открывается диод Д2, затем Д3 и т.д.

Напряжение нагрузки будет равно напряжению фазы с открытым диодом и следовательно ток нагрузки изменяется по тому же закону. При этом ток в нагрузке всегда будет больше 0.

Пульсация тока в такой схеме будет относительно невелика, что понижает требования к сглаживающему фильтру. Недостатком данной схемы, также как однофазной однополупериодной является намагничивание сердечника трансформатора.

Большее распространение в трехфазных выпрямителях получила мостовая схема Ларионова, так как она лишена недостатков однотактной схемы.

В такой схеме одновременно пропускают ток два диода — один с наибольшим положительным потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наибольшим отрицательным потенциалом катода. Нагрузка подключается между анодной и катодной группой диодов.

В интервал времени t1-t2 пропускать ток будут диоды Д1 и Д4, так как наибольший положительный потенциал имеет анод фазы а, а наибольшим отрицательным потенциалом обладает катод фазы b. В интервале t2-t3 пропускать ток будут диоды Д1-Д6, в интервале t3-t4 — Д3-Д6, в интервале t4-t5 — Д3-Д2, в интервале t5-t6 — Д5-Д2 и в последнем интервале — Д5-Д4.

Таким образом напряжение на нагрузке будет иметь вид шести пульсаций за период, а интервал проводимости каждого диода — 2π/3. При этом интервал совместной работы двух диодов — π/6. Среднее значение напряжения на нагрузке будет:

  где U2 — действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения практически равно максимальному линейному напряжению питающей сети:

где Uab.m — максимальное линейное напряжение вторичной обмотки.

Из достоинств схемы нужно отметить то, что в такой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже, чем у однофазной двухполупериодной схемы и составляет 0,057.

На основе этой схемы можно создать двенадцати, восемьнадцати, двадцатичетырехфазные выпрямители. Для этого используются различные сочетания последовательного и параллельного соединения схем. Чем больше будет фаз и соответственно пар диодов, тем меньше будут выходные пульсации.

Кроме этих схем, могут применяться и управляемые схемы выпрямления, которые наряду с выпрямлением переменного тока обеспечивают и регулировку выходного напряжения (тока). Но об этом мы поговорим в следующий раз.