Преобразователи переменного напряжения

Практические схемы преобразователя представляют сочетание выпрямителя и фильтра. Простейший вариант однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром приведен на рис. 7.2, а и на рис. 7.2, б – диаграммы токов и напряжений в установившемся режиме.

Диод VD находится под разностью потенциалов входного U_» и выходного U₌ напряжений. Диод открывается, когда входное положительное напряжение превышает положительное напряжение на конденсаторе Uʹ_c, и закрывается, когда это напряжение превысит входное напряжение. Постоянная составляющая тока диода и создает на нагрузке постоянное напряжение U₌=i₁₌× R_н, а переменная составляющая тока диода замыкается через конденсатор, обусловливая пульсации напряжения DU_». Обеспечение приемлемо малого уровня пульсации достигается выбором конденсатора фильтра достаточно большой емкости.

а б

Рис. 7.2. Схема однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром:

а – функциональная схема; б – временные диаграммы

Рис. 7.3. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Рассмотренный выпрямитель обладает существенным недостатком – постоянная составляющая тока диода в случае питания выпрямителя от трансформатора приводит к постоянному подмагничиванию последнего, ухудшая магнитные свойства сердечника. Поэтому на практике находят применение в основном двухполупериодные выпрямители, в которых эффект намагничивания практически отсутствует (рис. 7.3).

При положительной полярности входного напряжения в проводящем состоянии оказываются зачерненные диоды, при отрицательной полярности проводит другая пара диодов. При этом ток i₁ меняет направление на противоположное, а через нагрузку ток направления не меняет (см. рис. 7.4).

Из рис. 7.4 следует, что при полной симметрии диодных плеч постоянная составляющая во входном токе i₁ отсутствует. Частота пульсаций выходного напряжения в два раза выше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Напряжение пульсаций

,

где R_i – активное сопротивление выходной обмотки сетевого трансформатора; f_с– частота сети.

Максимальное обратное напряжение на диоде равно выходному напряжению при R_Н = ¥:

U_добр » U_{1 m}.

Средневыпрямленный ток I_{д cр} = 0,5I_Н. Во время подзаряда конденсатора через диоды протекает пиковый ток

I_{д m} » (U_{1 m} – 2U_{д пр})/ ,

который не должен превышать допустимый импульсный ток диода.

Недостатком мостовой схемы является увеличение потери мощности за счет последовательного включения в цепь двух диодов. При токе нагрузки в несколько десятков ампер указанные потери могут стать неприемлемыми. В этом случае можно использовать двухполупериодную схему на основе трансформатора со средней точкой (рис. 7.5), что и является, в свою очередь, главным неудобством этой схемы.

Рис. 7.4. Диаграммы входного тока и выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя	Рис. 7.5. Двухполупериодный выпрямитель на трансформаторе со средней точкой

В выпрямителях с низким значением выходного напряжения падение напряжения на открытом кремниевом диоде может стать соизмеримым с выходным напряжением. Для повышения КПД таких устройств в качестве выпрямительных используются диоды Шоттки, обладающие существенно меньшим падением напряжения.

Для питания электронных схем часто требуются два разнополярных напряжения с общей точкой и близкими по величине выходными токами. Необходимый выпрямитель может быть построен с использованием одного моста (рис. 7.6).

В схеме происходит двухполупериодное выпрямление. Расчетные соотношения такие же, как для мостового выпрямителя, если принять выходное напряжение U_Н = 2U_Н¢ и удвоенное напряжение пульсаций.

Рис. 7.6. Мостовой выпрямитель
с симметричным выходным напряжением

В общем, схемотехника выпрямителей достаточно разнообразна: одно- и многофазные, с умножением выпрямленного напряжения,
с LC-фильтрами и т. д. Строгий анализ даже простейшего выпрямителя сводится к решению нелинейного дифференциального уравнения и в настоящее время проводится методом компьютерного моделирования.