Меню

Стабилизатор выпрямитель с фильтрами

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Содержание

  1. Для чего нужен выпрямитель в электротехнике
  2. Принципы работы выпрямителей
  3. Типовые схемы выпрямителей
  4. Однофазные выпрямители
  5. Трёхфазные выпрямители
  6. Выпрямители с умножением напряжения

Электрическую энергию удобно транспортировать и преобразовывать по величине в виде переменного напряжения. Именно в таком виде она подается к конечному потребителю. Но для питания многих устройств нужно все-таки постоянное напряжение.

Для чего нужен выпрямитель в электротехнике

Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко применяется, и главные сферы использования выпрямляющих устройств в радио- и электротехнике:

  • формирование постоянного тока для силовых электроустановок (тяговые подстанции, электролизные установки, системы возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
  • источники питания для электронных приборов;
  • детектирование модулированных радиосигналов;
  • формирование постоянного напряжения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения систем автоматической регулировки усиления.

Полная область применения выпрямителей обширна, и перечислить её в рамках одного обзора невозможно.

Принципы работы выпрямителей

В основу работы выпрямительных устройств положено свойство односторонней проводимости элементов. Делать это можно разными способами. Многие пути для промышленного применения отошли в прошлое – например, применение механических синхронных машин или электровакуумных приборов. Сейчас применяются вентили, проводящие ток в одну сторону. Не так давно для мощных выпрямителей применялись ртутные устройства. На сегодняшний момент они практически вытеснены полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.

Типовые схемы выпрямителей

Выпрямляющее устройство может быть построено по различным принципам. Анализируя схемы устройств, надо помнить, постоянным напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условно. Этот узел выдает пульсирующее однонаправленное напряжение, которое в большинстве случаев надо сглаживать фильтрами. Часть потребителей требует еще и стабилизации выпрямленного напряжения.

Однофазные выпрямители

Самым простым выпрямителем переменного напряжения служит одиночный диод.

Он пропускает к потребителю положительные полуволны синусоиды и «срезает» отрицательные.

Область применения такого устройства невелика – в основном, выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя оно и выдает ток, текущий в одном направлении, у него есть существенные недостатки:

  • высокий уровень пульсаций – для сглаживания и получения постоянного тока потребуется большой и громоздкий конденсатор;
  • неполное использование мощности понижающего (или повышающего) трансформатора, ведущее к увеличению потребных массогабаритных показателей;
  • средняя ЭДС на выходе составляет меньше половины подведенной ЭДС;
  • повышенные требования к диоду (с другой стороны – нужен всего один вентиль).

Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.

Здесь ток через нагрузку течёт дважды за период в одном направлении:

  • положительная полуволна по пути, обозначенному красными стрелками;
  • отрицательная полуволна по пути, обозначенному зелеными стрелками.

Отрицательная волна не пропадает, а также используется, поэтому мощность входного трансформатора используется полнее. Средняя ЭДС в два раза больше, чем у однополупериодного варианта. Форма пульсирующего тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же потребуется. Его ёмкость и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций составляет удвоенную частоту сетевого напряжения.

Если есть трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно или с обмоткой, имеющей отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.

Этот вариант фактически является удвоенной схемой однополупериодного выпрямителя, но обладает всеми достоинствами двухполупериодного. Недостатком является необходимость применения трансформатора специфической конструкции.

Если трансформатор изготавливается в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку так, как требуется, но придется применить железо несколько увеличенных размеров. Зато вместо 4 диодов используется только 2. Это позволит скомпенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.

Если выпрямитель рассчитан на большой ток и вентили надо устанавливать на радиаторах, то установка в два раза меньшего количества диодов дает существенную экономию. Ещё надо учитывать, что такой выпрямитель имеет вдвое большее внутреннее сопротивление, по сравнению с собранным по мостовой схеме, поэтому нагрев обмоток трансформатора и связанные с этим потери также будут выше.

Трёхфазные выпрямители

От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранного по подобному принципу.

Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой линии, уровень пульсаций всего 14%, а частота равна утроенной частоте сетевого напряжения.

И все же исходник этой схемы – однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки не удается изжить даже с помощью трехфазного источника напряжения. Главным из них является не полное использование мощности трансформатора, и средняя ЭДС равна 1,17⋅E 2eff (эффективное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора).

Лучшие параметры имеет мостовая трёхфазная схема.

Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения составляет те же 14%, но частота равна ушестеренной частоте входного переменного напряжения, поэтому ёмкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет вдвое выше, чем в предыдущей схеме.

Этот выпрямитель применен с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку по схеме «звезда», но тот же самый узел вентилей будет гораздо менее эффективен при использовании совместно с трансформатором, выход которого включен по схеме «треугольника».

Здесь амплитуда и частота пульсаций такая же, как в предыдущей схеме. Но средняя ЭДС меньше, чем в предыдущей схеме в раз. Поэтому такое включение используется редко.

Читайте также:  Втулки стабилизатора astra h артикул

Выпрямители с умножением напряжения

Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно больше входного. Например, существуют схемы с удвоением напряжения:

Здесь конденсатор С1 заряжается во время отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком такого построения является невысокая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 находится под удвоенным значением напряжения. Поэтому такую схему используют в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, в качестве измеряющего органа в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.

В электротехнике и силовой электронике применяют другой вариант схемы удвоения.

Удвоитель, собранный по схеме Латура, имеет большую нагрузочную способность. Каждый из конденсаторов находится под входным напряжением, поэтому по массогабаритным показателям этот вариант также выигрывает у предыдущего. Во время положительного полупериода заряжается конденсатор С1, во время отрицательного – С2. Ёмкости включены последовательно, а по отношению к нагрузке – параллельно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений заряженных конденсаторов. Частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а величина зависит от значения емкостей. Чем они больше, тем меньше пульсации. И здесь надо найти разумный компромисс.

Недостатком схемы считается запрет на заземление одного из выводов нагрузки – один из диодов или конденсаторов в этом случае окажется закороченным.

Эту схему можно каскадировать любое число раз. Так, повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверением напряжения и т.д.

Первый по схеме конденсатор должен выдерживать напряжение источника питания, остальные – удвоенное напряжение питания. Все вентили должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.

Если нет подходящих диодов, их можно соединять последовательно — при этом максимально допустимое напряжение кратно увеличится. Но параллельно каждому диоду надо включить выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, потому что в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может распределиться между диодами неравномерно. Итогом может стать превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепочки зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), то и обратное напряжение распределится строго одинаково. Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае действие дополнительных элементов на работу схемы будет минимизировано.

Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли понадобится, токи здесь невелики. Но может пригодиться в других схемах выпрямителей, где нагрузка потребляет серьезную мощность. Параллельное соединение кратно увеличивает допустимый ток через вентиль, но всё портит отклонение параметров. В итоге один диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы этого избежать, последовательно с каждым диодом ставят резистор.

Номинал сопротивления выбирают так, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составило 1 вольт. Так, при токе в 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Мощность в этом случае должна быть не менее 1 Вт.

В теории увеличивать кратность напряжения можно до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждым дополнительным каскадом. В итоге можно прийти к ситуации, когда просадка напряжения на нагрузке превысит кратность умножения и сделает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток свойственен всем подобным схемам.

Часто такие умножители напряжения выпускаются единым модулем в хорошей изоляции. Подобные приборы применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора. Также известны схемы удвоения с использованием дросселей, но распространения они не получили – намоточные детали сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.

Схем выпрямителей существует достаточно много. Учитывая широкую сферу применения данного узла, важно подойти к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.

Источник



Выпрямители (Часть 1). Виды и устройство. Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Читайте также:  Импульсные стабилизаторы для дома
Устройство и структура выпрямителя

Vypriamiteli osnovnaia skhema

Рис. 1

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Vypriamiteli struktura

Рис. 2

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U2 влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста Uн.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f1 с сетью питания U1, I1, и нагрузочную цепь с Uн, Iн одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Стабилизатор напряжения

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Классификация

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.

По мощности на выходе:
  • Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
  • Средней мощности – менее 100 кВт.
  • Малой мощности – до 0,6 киловатт.
По фазности сети питания:
  • 1-фазные.
  • 3-фазные.
По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U2 за один период:
  • Однотактные (имеют один полупериод).
  • Двухтактные (два полупериода).
По типу управления вентилями выпрямители делятся на:
  • Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
  • Неуправляемые. Используются диоды.
Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:
  • Активно-емкостная.
  • Активно-индуктивная.
  • Активная.
Расчет выпрямителя

Характер нагрузки, формы потребления тока влияют на способы расчета выпрямителя, и значительно отличаются. Расчет выпрямителя выполняется путем подбора схемы выпрямителя, вида вентилей, определения нагрузки на трансформатор, фильтр и диоды, энергетических и электрических параметров.

Ряд факторов влияет на выбор схемы прибора. Эти факторы необходимо учитывать согласно предъявляемому требованию к выпрямителю.

К таким факторам можно отнести:
  • Мощность и напряжение.
  • Пульсация и частота напряжения на выходе.
  • Значение обратного напряжения на диодах и их количество.
  • Коэффициент мощности и другие параметры.
  • КПД.

Коэффициент применения трансформатора по мощности оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр вычисляется формулой:

Formula

Где Id, Ud, — средние величина выпрямленного тока и напряжения, I1, U1 — рабочая первичная величина тока и напряжения, I2, U2 – рабочая величина вторичного тока и напряжения.

При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.

Схемы выпрямления
Однофазные выпрямители

Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.

Однофазная однотактная схема

Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя. Такая схема характерна значительными пульсациями выходного напряжения и малым коэффициентом использования трансформатора.

На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

Vypriamiteli odnofaznaia odnotaktnaia skhema

Нагрузочный ток id под воздействием ЭДС вторичной обмотки (е2) может пройти только за те полупериоды, на которых анод диода обладает положительным потенциалом по отношению к катоду. По диоду в первый полупериод протекает ток ivd, а во второй полупериод ток становится нулевым (при отрицательном потенциале анода).

Напряжение на выходе выпрямителя ud всегда ниже ЭДС обмотки е2, из-за того, что определенная часть напряжения теряется. Наибольшее обратное сопротивление вентиля Uобрmax достигает амплитудной величины ЭДС вторичной обмотки.

Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора аналогичны, если не считать ток намагничивания и удалить из него величину Id, так как она не трансформируется в первичную обмотку. Из-за этой величины в сердечнике трансформатора образуется вспомогательный магнитный поток, который насыщает сердечник.

Такой эффект называется вынужденным подмагничиванием. Это можно выделить, как основной недостаток схемы. После насыщения ток намагничивания трансформатора повышается по сравнению с нормальным режимом. Повышение этого тока создает условия для увеличения сечения проводника первичной обмотки. Вследствие этого возрастают размеры трансформатора.

Читайте также:  Импульсное зарядное устройство стабилизатор тока

Источник

Выпрямители: Основные виды сглаживающих фильтров и особенности их применения в выпрямителях

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие емкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности — Г-образные \(LC\), \(RC\) и П-образные \(CLC\) и \(CRC\) фильтры.

Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания \((q)\), который определяется как отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на его выходе (на нагрузке).

Емкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Он состоит из конденсатора, включаемого параллельно нагрузке. Анализ работы данного фильтра проведен при описании однофазного однополупериодного выпрямителя. Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с емкостным фильтром может быть найден по формуле:

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей),

\(f\) — частота входного переменного напряжения.

Из приведенной формулы видно, что коэффициент пульсаций на выходе выпрямителя с емкостным фильтром обратно пропорционален емкости применяемого конденсатора и величине сопротивления нагрузки. Поэтому применение такого фильтра рационально только при достаточно больших значениях этих величин. По мере совершенствования технологии изготовления конденсаторов большой емкости рассматриваемый тип фильтра вследствие своей простоты и эффективности находит все большее применение.

Индуктивно-емкостные фильтры (Г-образные \(LC\) и П-образные \(CLC\)) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. Коэффициент полезного действия у таких фильтров достаточно высокий. К недостаткам индуктивно-емкостных фильтров относятся: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный индуктивно-емкостный фильтр (рис. 3.4‑13).

Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

Рис. 3.4-13. Схема индуктивно-емкостного сглаживающего фильтра

Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий: \(X_C = \cfrac<1> <\omega C>\ll R_н\), \(X_L = \omega L \gg X_C\). При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе, для коэффициента сглаживания можно записать:

где \(m\) зависит от схемы выпрямителя:

\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

Во избежание резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать \(q > 3\). Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. При индуктивной реакции фильтра меньше действующие значения токов в вентилях и обмотках трансформатора (а следовательно, меньше и требуемая габаритная мощность трансформатора). Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

П-образный \(CLC\) фильтр отличается от описанного Г-образного \(LC\) фильтра наличием еще одной емкости, включаемой на входе фильтра (на рис. 3.4-13 конденсатор \(C_0\), показан пунктиром). Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают емкость конденсатора \(C_0\), исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при \(C_0 = C_1\).

При выборе конденсаторов фильтра необходимо следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15. 20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

Резистивно-емкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10. 15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный \(RC\) фильтр (рис. 3.4-14) состоит из балластного резистора (\(R_ф\)) и конденсатора (C_1). Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

где m зависит от схемы выпрямителя:

(\(m = 1\) для однофазного однополупериодного выпрямителя,

\(m = 2\) для однофазного двухполупериодного и мостового выпрямителей).

Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

Рис. 3.4-14. Схема резистивно-емкостного сглаживающего фильтра

Сопротивление фильтра (\(R_ф\)) выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД (\(h\)) по формуле \(R_ф = R_н (1 – h)/h \). Оптимальным считается КПД порядка 0,6. 0,8.

Расчет П-образного резистивно-емкостного фильтра (его схема включает дополнительный конденсатор \(C_0\), показанный на рис. 3.4-14 пунктиром) производится, как и в случае П-образного \(CLC\) фильтра, в два этапа после разделения этого фильтра на емкостный (\(C_0\)) и Г-образный \(LC_1\) фильтр.

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При этом могут использоваться как однотипные, так и разнотипные звенья. При каскадном включении \(LC\) фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (\(q_\Sigma\)) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев: \(q_\Sigma = q_1 \cdot q_2 \cdot q_3 . \) . Для нахождения оптимального числа звеньев (\(n_<опт>\)) такого фильтра при заданном \(q_\Sigma\) можно воспользоваться формулой:

Высокий коэффициент сглаживания и хороший КПД могут также обеспечить разнообразные фильтры на транзисторах.

Источник