Выпрямительным устройством (выпрямителем) называется статический преобразователь переменного тока в постоянный. Выпрямители широко применяются для питания устройств радиосвязи, телевидения, электронных устройств автоматического управления и другой радиоэлектронной аппаратуры, в том числе, специальных радиотехнических систем.
Выпрямитель в общем виде обычно состоит из четырёх основных звеньев: трансформатора, вентильного комплекта (выпрямитель), сглаживающего фильтра, стабилизатора (рисунок 1).
Рисунок 1 - Устройство выпрямительного устройства с эпюрами напряжений в контрольных точках
Трансформатор преобразует напряжение сети переменного тока в такое, которое необходимо для получения заданного напряжения на выходе выпрямителя. Кроме того, трансформатор необходим для гальванической развязки нагрузки выпрямителя и питающей сети. В противном случае выходной зажим выпрямителя не мог бы быть соединён с корпусом устройства или заземлен, так как все выпрямители, питаемые данной сетью, оказались бы электрически связанными между собой и влияли бы один на другой.
Выпрямитель (вентильный комплект) преобразует переменный ток в однополярный (пульсирующий). Количество вентилей звена зависит от схемы выпрямления. В качестве вентилей используются различные типы диодов и тиристоры.
Сглаживающий фильтр ослабляет пульсации, т. е. превращает пульсирующие напряжение в постоянное. Сглаживающий фильтр чаще всего состоит из индуктивностей и емкостей, соединяемых по определенной схеме.
Стабилизатор напряжения (или тока), который с определенной степенью точности поддерживает напряжение (или ток) постоянным при изменениях напряжения питающей сети и сопротивления нагрузки.
Выпрямитель может также содержать регуляторы напряжения, устрой-ства контроля, коммутации, защиты и другие элементы.
В обобщённом виде, без учёта классификационных признаков, выпрямительные устройства можно разделить на группы, показаные на рисунке 2.
Рисунок 2 - Типы выпрямительных устройств
Основу современных неуправляемых вентилей составляют кремневые и германиевые диоды, которые обладают достаточно большим сроком службы (5–20 тыс. ч.). Вентили подразделяются на маломощные, средней и большой мощности. Несмотря на то что получение химически чистого кремния сложнее, чем германия, кремниевые вентили получили широкое применение в выпрямительных устройствах по следующим причинам:
- Широкий температурный интервал –60 ...+125 0С, в отличие от германиевых –50 ... +70 0С. С повышением температуры величина допустимого обратного напряжения вентиля резко уменьшается. Если прикладываемое к вентилю обратное напряжение снизить нельзя, необходимо нагружать вентиль током меньше номинального. Для повышения верхнего предела допустимой температуры применяют дополнительное охлаждение вентилей радиаторами.
- Величина обратного тока кремниевых приборов на один-два порядка меньше, чем у германиевых.
- Предельная рабочая частота кремниевых приборов в два-три раза выше, чем у германиевых (до 10 кГц), вследствие меньшей собственной ёмкости кремниевых вентилей.
- Допустимое обратное напряжение у кремниевых вентилей разных типов находится в пределах Uобр.доп. = 50–1000 В, а у германиевых вентилей – Uобр.доп. = 50–400 В. Так же, как и германиевые, кремниевые вентили довольно чувствительны к токовым перегрузкам и допускают их лишь кратковременно.
Большие перегрузки по току ведут к тепловому пробою вентиля – необратимому процессу, после которого вентиль становится непригодным для дальнейшей работы.
В выпрямительных установках на большие токи нагрузки применяются вентили диффузионные, лавинные типа КД, ВДЛ, ВКДЛВ, причем последние – с водяным охлаждением. Данные вентили выдерживают кратковременно значительные обратные перенапряжения и перегрузки по току, что облегчает их защиту от повреждений.
Недостатком кремниевых вентилей по сравнению с германиевыми является большее падение напряжения на вентиле в прямом направлении Unp.VD = 0,5–1,5 В, а у германиевых соответственно Unp.VD = 0,2–0,5 В.
Промышленностью выпускаются выпрямительные кремниевые столбы и блоки, представляющие набор одинаковых вентилей в единой конструкции, имеющий два и более выводов. В столбах вентили включены последовательно, а в блоках могут быть соединены в выпрямительную схему.
Прямое падение напряжения кремниевых столбов различных типов находится в пределах 3–12 В, допустимое обратное напряжение доходит до 15 кВ. Кремниевые вентили, столбы и блоки могут работать при температуре корпуса –60 ... +125 0С, обесточенный вентиль может иметь более высокую температуру, но не выше 150 0С.
Основу управляемых вентилей составляют полупроводниковые триодные тиристоры (тринисторы).
В настоящее время тринисторы выпускаются на токи от сотен миллиампер до сотен ампер с обратным напряжением до 1000 В и более. Тринисторы могут работать в интервале температур –50 ... +120 0С. Срок службы тринисторов составляет не менее 5 тыс. ч.
Режим работы выпрямителя в значительной степени зависит от характера его нагрузки. Различают следующие режимы работы выпрямителя: на активную нагрузку, на нагрузку ёмкостного характера, на противоэдс, на индуктивную нагрузку, на нагрузку, состоящую из L, С и R элементов.
Идеальная активная нагрузка выпрямителя относительно редка и характерна лишь для цепей, не требующих ограничения переменной составляющей выпрямленного напряжения.
Емкостная нагрузка характерна для выпрямителей малой мощности. Ёмкость устанавливается на выходе выпрямителя параллельно нагрузке, для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения. Реакция нагрузки на выпрямитель будет определяться ёмкостью, сопротивление которой для переменной составляющей много меньше сопротивления нагрузки.
Режим работы выпрямителя на противоэдс является характерным при заряде аккумуляторных батарей или при питании двигателей постоянного тока.
Если фильтр выпрямителя начинается с достаточно большой индуктивности, то принято считать, что нагрузка выпрямителя индуктивная. На индуктивную нагрузку в основном работают выпрямители средней и большой мощности.
В независимости от режима работы выпрямитель характеризуется:
- выходными параметрами;
- параметрами, определяющими режим работы вентиля;
- параметрами трансформатора.
К основным выходным параметрам выпрямителя относятся:
- Среднее значение выпрямленного (постоянного) тока – это такое значение постоянного тока, при котором через поперечное сечение проводника проходит такое же количество электричества, что и при пульсирующем токе
- Среднее значение выпрямленного напряжения
- Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения Кп – это отношение амплитуды первой гармоники (Um1) на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения(U0ср)
- Частота пульсаций основной (первой) гармоники выпрямленного напряжения – fп.
- Параметр фазы выпрямления m связывает количество фаз выпрямленного переменного напряжения p с количеством полупериодов q этого напряжения, в которых работают диоды (вентили): m = pq.
Графически среднее значение выпрямленного тока I0ср выразится высотой прямоугольника с основанием, равным периоду Т = 1/f (рисунок 3).
Рисунок 3 - Эпюры напряжений и тока однофазного однополупериодного выпрямителя
Параметры вентиля (различных типов диодов) определяются:
- средним значением тока вентиля Iср;
- действующим значением тока вентиля IВ;
- амплитудой тока в вентиле Im В;
- амплитудой обратного напряжения Im обр;
- средней мощностью, рассеиваемой вентилем за период РВ.
По данным параметрам в схемах выпрямления выбирают вентили. Величины указанных параметров не должны превышать предельно допустимых значений, указанных в паспортных данных для выбранных типов вентилей.
При выборе трансформаторов для выпрямителей, интерес представляют следующие параметры:
- действующие значения напряжения U2 и тока I2 вторичной обмотки;
- действующие значения напряжения U1 и тока I1 первичной обмотки;
- полная мощность вторичной обмотки Р2;
- полная мощность первичной обмотки Р1;
- полная или габаритная мощность трансформатора: РTР = (Р1+Р2)/2;
- коэффициент использования трансформатора: Кит = Р0/РTР, где Р0 – выходная мощность выпрямителя;
- коэффициент использования вторичной обмотки трансформатора: К2 = Р0/Р2;
- коэффициент использования первичной обмотки трансформатора: К1 = Р0 /Р1.
Величины параметров вентилей и трансформатора зависят как от схемы выпрямления (однополупериодная или двухполупериодная; однофазная или многофазная) так и от режима работы выпрямителя.