Принцип выпрямления. Основные параметры и характеристики выпрямителей

Для работы электронных устройств (усилителей, радиоприемников, компьютеров и др.) требуется постоянное напряжение, которое можно получить, используя аккумуляторы или батареи. Однако чаще в качестве первичного источника электропитания используется промышленная сеть переменного напряжения

и(t) = U_m sin ω₁t

с частотой ω₁= 2πf, где f=50 Гц (Россия) или 60 Гц (США) и эффективным напряжением U_эфф - 380/220 В (380 В - напряжение между двумя фазами, 220 В - напряжение между фазой и «нулевым» проводом), U_m = U_эфф - амплитуда напряжения. Переменное напряжение обладает рядом достоинств при передаче электромагнитной энергии на расстояние. В частности, удается снизить потери на джоулево тепло dQ, величина которого за единицу времени dt согласно закону Джоуля-Ленца определяется величинами сопротивления проводника R и протекающего по нему тока i:

dQ = i ²Rdt. (1)

Снижения потерь можно достичь уменьшением сопротивления провода: использовать материалы с низким удельным сопротивлением (золото, серебро, медь); увеличить поперечное сечение провода; использовать эффект сверхпроводимости. Однако более доступно и эффективно уменьшить ток в передающей линии благодаря эффекту трансформации, то есть преобразовать электрическую энергию с одними значениями тока и напряжения в другие посредством статического электромагнитного аппарата, называемого трансформатором. Величины мощности W_k = u_ki_k (k = 1, 2) на первичной и вторичной обмотках трансформатора приблизительно равны: u₁i₁≈u₂i₂. Значение напряжения на вторичной обмотке определяется соотношением u₂=u₁n₂/n₁, где n₁, n₂ - число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Увеличивая число витков вторичной обмотки, можно повысить напряжение на выходе трансформатора и, следовательно, понизить величину тока в линии электропередачи. Для передачи электрической энергии используют высоковольтные линии.

В источниках вторичного электропитания с помощью трансформатора осуществляется снижение напряжения до требуемого значения.

Для получения постоянного напряжения производится преобразование переменного напряжения с помощью устройств, называемых выпрямителями. Основу этих устройств составляют элементы, обладающие односторонней проводимостью: электровакуумные и полупроводниковые диоды.

Рис. 1. Однополупериодная схема выпрямителя

На рис. 1. приведена схема однополупериодного полупроводникового выпрямителя, на которой: Т - трансформатор, VD - диод, R - нагрузка, u₂(t), u_Д, u_н - напряжения на вторичной обмотке трансформатора, на диоде и на нагрузке соответственно.

Рис. 2. ВАХ германиевых и кремниевых полупроводниковых диодов

Вольтамперные характеристики германиевых и кремниевых полупроводниковых диодов приведены на рис. 2. Можно выделить две ветви, соответствующие смещению p-n-перехода в различных направлениях. При прямом смещении анод (p-слой p-n-перехода) положителен по отношению к катоду (n-слой p-n-перехода). Увеличение прямого смещения приводит к росту прямого тока через диод. При малых смещениях через диод протекает сравнительно небольшой прямой ток до тех пор, пока напряжение на переходе не превысит пороговое значение, определяемое контактной разностью потенциалов между слоями p-n-перехода, создающей потенциальный барьер, препятствующий протеканию тока в прямом направлении. Пороговые напряжения различных диодов несколько отличаются друг от друга и обычно составляют десятые доли вольта: для германиевых диодов этот порог порядка 0,2 В, для кремниевых 0,6 В.

При смене знака приложенного напряжения (обратное смещение p-n-перехода) полярность напряжения между анодом и катодом отрицательна. Увеличение обратного смещения приводит к незначительному росту обратного тока до тех пор, пока не будет достигнуто напряжение пробоя p-n-перехода (точка А на рис. 2). В рабочей области вольтамперных характеристик диода (до точки А) отношение прямого тока к обратному очень велико - сотни и тысячи раз.

Рис. 3. Прохождение переменного тока через вентильное устройство

Сопротивление диода в прямом направлении много меньше сопротивления в обратном направлении, поэтому его можно считать вентилем и реальную характеристику заменить кусочно-ломаной линией, состоящей всего из двух отрезков. Тогда для тока в цепи, представленной на рис. 1, можно записать выражение

(2)

где S - тангенс угла наклона прямой ветви идеализированной вольтамперной характеристики (крутизна вольтамперной характеристики).

Если на идеализированную вольтамперную характеристику (2) (верхняя область левой части рис. 3) наложить переменное напряжение (1) (нижняя область левой части рис. 3), то под действием этого напряжения ток будет протекать только в те полупериоды, когда анод вентиля имеет более высокий потенциал относительно катода (правая часть рис. 3). При смене знака напряжения ток через диод становится равным нулю. Мгновенное значение тока за период определяется следующим выражением:

(3)

где R_B = r_тр + r_д - полное сопротивление выпрямителя, r_тр - активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора, r_д - сопротивление вентиля (диода) в прямом направлении. В общем случае при расчете выпрямителя следует учесть и реактивное сопротивление обмоток трансформатора, которое существенно при больших токах нагрузки и числе фаз выпрямленного тока более 3-х. Для маломощных выпрямителей с малыми токами нагрузки реактивным сопротивлением пренебрегают, считая трансформатор источником ЭДС с внутренним сопротивлением, много меньшим сопротивления внешней цепи. При расчетах также часто не учитываются сопротивления вентилей в открытом состоянии, поскольку обычно они много меньше сопротивления нагрузки.

Таким образом, ток через сопротивление нагрузки R_H имеет пульсирующий характер и появляется только в один из полупериодов напряжения на вторичной обмотке трансформатора u₂(t).

Поэтому выпрямитель, собранный по схеме рис. 1, называется однополупериодным. Выпрямленные напряжение и ток содержат постоянные составляющие (средние за период) U₀, I₀ и переменные составляющие (пульсации) u_п, i_п.

Недостатки однополупериодного выпрямителя:

- большой коэффициент пульсаций;

- малые средние значения выпрямленного тока и напряжения;

- низкий КПД.

Рис. 4. Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Существуют другие схемы выпрямителей, в которых используются оба полупериода напряжения сети. Такие выпрямители называются двухполупериодными. Наиболее распространен мостовой выпрямитель, схема которого приведена на рис.4.

Переменное напряжение подводится к одной диагонали моста, а сопротивление нагрузки подключается к другой диагонали. В этой схеме вентили пропускают ток попарно VD1, VD4 и VD2, VD3. В один полупериод напряжения, когда потенциал точки А оказывается выше потенциала точки В, пара вентилей VD1 и VD4 будет пропускать ток. В следующий полупериод напряжения ток пропускает другая пара вентилей. Таким образом, в каждый полупериод переменного напряжения через сопротивление нагрузки протекает пульсирующий ток одного направления.

На рис. 5 представлены осциллограммы напряжений и токов в этой схеме. На верхнем рисунке изображено исходное напряжение, на двух последующих - формы токов в первом и втором плечах соответственно. На нижнем графике показана форма тока, протекающего через активную нагрузку.

Качество работы выпрямителей оценивается коэффициентами пульсаций. Для напряжения коэффициент пульсаций

P=U_п/U₀, (4)

Рис. 5. Осциллограммы входного напряжения и токов, протекающих через плечи моста и через нагрузку

где U₀ - величина постоянного напряжения, U_п - амплитуда пульсаций. Коэффициент пульсаций можно измерить, используя вольтметры постоянного и переменного напряжений. При измерении U_п необходимо учитывать вид измеряемого напряжения: если измеряется эффективное значение, то U_п=U_{эфф .}

При одинаковых нагрузках и значениях Um двухполупериодная схема выпрямителя имеет меньшие пульсации тока через нагрузку по сравнению с однополупериодной.