Тема 9. Перетворення сигналів в нелінійних електронних колах

3. Випрямлення зміного струму

                Випрямленням змінного струму називають перетворення змінної  (гармонічної) напруги промислової частоти 50 Гц на постійну напругу. Реалізує функцію випрямлення електронне коло, яке називають випрямлячем.

                Схема випрямляча складається з таких основних елементів: трансформатора, випрямних елементів (діода або декількох діодів) і згладжувального фільтра.

                Трансформатор змінює діюче значення змінної напруги мережі на змінну напругу, величина якої відповідає заданій величині постійної напруги на виході випрямляча.

                Випрямні елементи можуть проводити струм лише в одному напрямі і, отже, перетворюють змінну напругу на пульсуючу.

                Згладжувальний фільтр призначений для зменшення пульсацій вихідної напруги до допустимого значення. Найпростішою є однопівперіодна схема випрямляча (рис.5.17, а).

Рис.5.17. Схема однопівперіодного випрямляча (а)

та часова діаграма його вихідної напруги (б)

 

Упродовж додатних півперіодів вхідної напруги (коли діод відкритий) вихідна напруга повторює форму напруги на вторинній обмотці трансформатора, а протягом від’ємних півперіодів діод закритий і не пропускає струму, тому вихідна напруга дорівнює нулеві (див. рис.5.17, б). Частота пульсацій вихідної напруги однопівперіодної схеми дорівнює частоті мережі f, а сама вихідна напруга містить постійну складову та ряд гармонічних складових з частотами f, 2f, 3f і т.д.

                Таку схему застосовують при малих струмах і невисоких вимогах стосовно фільтрації вихідної напруги.

                Недоліком однопівперіодної схеми є наявність постійного підмагнічування трансформатора, що погіршує його параметри.

                Ефективнішими у плані випрямлення змінного струму є двопівперіодна та мостова схеми випрямляча.

У двопівперіодній схеми випрямляча (рис.5.18, а) діоди відкриваються по черзі у різні половини періоду вхідної напруги. Наприклад, у додатний півперіод вхідної напруги VD1 відкривається і пропускає струм, а діод VD2 у цей час закритий. Під час дії від’ємного півперіоду відкривається VD2, а VD1 закривається. В результаті через опір навантаження струм протікає під час обох півперіодів в одному і тому самому напрямі. Тому вихідна напруга має пульсуючий характер (рис.5,18, б), але, на відміну від однопівперіодної схеми, частота пульсацій дорівнює 2f.

а

б

Рис.5.18. Схема двоперіодного випрямляча (а)

та часова діаграма його вихідної напруги (б)

 

                Постійна складова U₀ вихідної напруги у два рази більша, ніж в однопівперіодній схемі.

                Найчастіше застосовують мостову схему випрямляча (рис.5.19), перевагою якої порівняно з двопівперіодною схемою є те, що у вторинній обмотці трансформатора немає виводу від середньої точки, тому виготовляти такий трансформатор технологічно простіше. У мостовій схемі (рис.5.19) діоди попарно відкриваються протягом різних півперіодів. Наприклад, при додатній півхвилі вхідної напруги відкриті діоди VD1 та VD2 (VD3 та VD4 в цей час закриті), а в наступний півперіод відкриваються VD3 та VD4, а VD1 та VD2 закриваються. Часова діаграма вихідної напруги така сама, як і у двопівперіодній схемі (рис.5.19, б).

                Перевагами двопівперіодної та мостової схем порівняно з однопівперіодною схемою є відсутність постійого підмагнічування трансформатора, а також кращі умови фільтрації вихідної напруги, оскільки частота пульсацій удвічі вища, ніж у однопівперіодної схеми.

Згладжувальні фільтри випрямлячів вмикають між випрямними елементами та опором навантаження, як показано для мостової схеми.

 

Рис.5.19. Мостова схема випрямляча (а), схема із зглажувальним фільтром (б)

Рис.5.20. П-подібна схема згладжувального LC-фільтра

 

Основне завдання згладжувального фільтра – максимальне зменшення змінної складової та мінімальне зменшення постійної складової випрямленої напруги, яка подається на вхід фільтра. Найпростішими згладжувальними фільтрами є такі, які складаються або з одної котушки індуктивності, увімкнутої  послідовно з опором навантаження, або з одної ємності, увімкнутої паралельно з опором навантаження.

                Часто застосовують П-подібні LC-фільтри (рис.5.20), які дають змогу зменшити пульсації випрямленої напруги до значень, які не перевищують 1 %. Значення параметрів елементів можуть бути значними (одиниці – десятки Генрі, сотні – тисячі мікрофарад).

                Основними параметрами випрямлячів є:

                –  номінальне значення випрямленої напруги Uвих.ном;

                –  номінальний струм навантаження Івих.ном;

                –  номінальна напруга мережі живлення Uвх.ном;

– допустима напруга пульсації та виході випрямляча Uп або коефіцієнт пульсації Кп=Uп/Uвих.ном;

                –  вихідна потужність Рвих=Uвих.ном х Івих.ном.

                Основним параметром згладжувального фільтра є коефіцієнт згладжування, який дорівнює відношенню коефіцієнта пульсацій на вході фільтра до коефіцієнта пульсацій на виході фільтра: Кзгл=Кп.вх/Кп.вих.