Однофазные выпрямители

Однофазные выпрямители.

Схема простейшего однополупериодного выпрямителя приведена на Рис.1.Эта схема часто применяется в маломощных выпрямителях, работающих прямо от сети переменного тока. Она способна работать как с активной, так и с емкостной нагрузкой. Однополупериодный выпрямитель потребляет из сети постоянный ток и четные гармоники тока сетевой частоты, в дополнение к нечетным гармоникам, характерным для большинства нелинейных нагрузок. При питании однополупериодного выпрямителя через трансформатор постоянная составляющая потребляемого тока способна вызвать насыщение сердечника, но если использовать сердечник с зазором, то этой неприятности можно избежать.

Рис.1. Однополупериодный выпрямитель и его поведение в разных условиях

Для уменьшения пульсаций  напряжения при использовании однополупериодного выпрямителя часто применяют конденсаторные фильтры. При емкостной нагрузке уменьшается период, в течение которого ток поступает из сети (см. Рис. 1). При этом содержание высокочастотных гармоник в потребляемом токе увеличивается, а коэффициент мощности (JP/VI) уменьшается. Сам выпрямительный диод в этой схеме подвергается воздействию обратного напряжения, равного напряжению на конденсаторе 
плюс пиковое входное напряжение. Вследствие того что конденсатор обычно заряжается почти до пикового входного напряжения, диод следует выбирать с обратным напряжением не менее удвоенного пикового входного напряжения. 
Хотя однополупериодные выпрямители и широко применяются в импульсных источниках питания, где плохая форма потребляемого тока не создает каких-либо проблем, в некоторых случаях, например в узлах обработки данных, могут возникать неприятности. Для этих выпрямителей в токе потребления характерно высокое содержание гармоник, кратных третьей — 3, 6, 9, 12, 15…. Эти токи складываются в нейтральном проводе трехфазной цепи питания, так что ток нейтрального провода может превысить ток фазного провода в 2 раза. При этом необходимо использовать нейтральный провод существенно большего сечения, чем

рис.2.Двухполупериодный  выпрямитель и его токи и напряжения в разных точках схемы 

обычно. В соответствии с IEEE 519 не допускается использование оборудования с постоянной составляющей тока из потребительской сети. Однако при использовании трансформаторов, через которые эта компонента тока не проходит, однополупериодные выпрямители находят применение.На Рис.2 приведена схема двухполупериодного выпрямителя. Во времена вакуумных ламп, когда оба диода удавалось поместить в одну лампу, эта схема широко применялась в радиоприемниках. А еще она подходит для низковольтных выпрямителей, ведь в ней последовательно с нагрузкой включен только один диод. Однако эти простейшие выпрямители все чаще заменяют импульсными преобразователями, в которых использование высокой рабочей частоты позволяет применять маленькие и легкие трансформаторы.

Каждый из диодов в этой схеме проводит ток только в течение  половины периода входного напряжения, а его среднеквадратичное значение составляет 50% от полного тока. При напряжении на первичной обмотке, равном 1 BRMS и при напряжениях на каждой половине вторичной обмотке тоже 
1 BRMS, на нагрузке 1 Ом ток в каждом плече составит 0.707 АRMS ,а в первичной обмотке — 1 АRMS Трансформатор должен быть рассчитан на мощность 1.0 В*А по первичной цепи плюс каждая из вторичных обмоток должна быть на 0.707 В*А. Таким образом, при общем расчете трансформатора следует учитывать его мощность, равную (1 + 0.707 + 0.707)/2=1.207 В*А. Так что его размер для этой схемы выпрямителя должен быть на 20% больше, чем без выпрямителя. 
На Рис. 3 приведена широко известная мостовая схема. В ней трансформатор используется лучше, чем в двухполупериодной схеме, так как в обеих обмотках ток имеет синусоидальную форму. В мостовой схеме последовательно с нагрузкой включено два диода, поэтому потери в диодах в 
2 раза больше, чем в двухполупериодной схеме. Однако потери в трансформаторе меньше за счет меньшего возбуждения гармоник. В настоящее время широко распространены сборки из двух и четырех диодов для этих схем выпрямителей.

Рис.3.Однофазный мостовой выпрямитель  и его токи и напряжения в разных точках схемы

 

 

   На рисунке показано 4 разных схем. Все они нагружены на нагрузку, через которую течёт ток 1А  независимо от выходного напряжения. Считаю, что такой способ корректный при проведении анализа выпрямителей, напряжение на выходе которых несколько  отличается друг от друга. При анализе  использовал данные самого мощного  унифицированного трансформатора ТА288 (510W), который имеет по две вторичные  обмотки на 200V и 355V, рассчитанные на максимальный ток 0,45А. Хотя трансформатор  несколько перегружен, но это распространенный случай для любительских передатчиков и такой трансформатор при  таком токе и непостоянной нагрузке может нормально работать. Соединив последовательно 200V и 355V обмотки, получаем две обмотки на напряжение 555V, амплитудное  значение около 800V. Измеренное сопротивление  так соединённых вторичных обмоток  около 30W, первичной обмотки трансформатора около 1W. Для упрощения будем считать, что реактивные сопротивления обмоток  и активное сопротивление первичной  обмотки равны нулю, что на сравнения  схем выпрямителей мало влияет. Для  удобства сравнения напряжение источников переменного тока выбрано таким, чтоб такое напряжение (800V) и отдавали без нагрузки показанные однофазные выпрямители, если не указанно иначе. Вместо обмотки трансформатора использовал  источники напряжения, которые программируются  на амплитудное значение. Последовательно  им включил резистор, имитирующий  сопротивление вторичной обмотки  трансформатора. Во всех схемах общая  ёмкость конденсатора фильтра 100µF. На выходе каждой схемы включён вольтметр (DC AVG). Падение напряжения можно оценить, от 800V отняв его показания. Цветные  квадратики с буквой около вольтметра по цвету показывает конкретную осциллограмму  выходного напряжения, я этими  буквами также буду называть конкретную схему. В осциллограммах можно посмотреть форму напряжения на выходах схем.

 
   В схеме А обе обмотки на 555V соединены параллельно, общее сопротивление  получаем 15W. Выпрямитель диодный  мост.  
   В схеме В вторичная обмотка имеет отвод от середины, всё остальное как и в схеме А. В этом случае можно использовать и половинное напряжение, например, для питания экранной сетки. 
   В схеме С обмотки соединены последовательно, для выпрямления используется два диода. Двухполупериодная схема выпрямления. 
   В схеме D показана схема удвоения. Сопротивление обмотки в таком случае в два раза меньше потому, что она должна отдавать два раза меньшее напряжение, и ещё два раза, потому что для получения два раза большего тока площадь сечения провода должна быть в два раза больше. Итого 15/4=3,75W. 
   В схемах Е - Н применяется умножение напряжения сети. Напряжение сети для сравнения подобрано так, чтоб выходное напряжение холостого хода умножителей соответствовало получаемых с трансформаторных выпрямителей (800V). Сопротивление сети выбрано 0,1W. Схема Е - удвоитель, F - утроитель, G и H учетверители напряжения, разница между ними только в номинале двух конденсаторах. 
   Как видим в осциллограммах, при одинаковой общей ёмкости фильтра пульсации во всех схемах имеют частоту 100Hz и практически по амплитуде одинаковые. Исключение только удвоитель по схеме Е, который ведёт себя как однополупериодный выпрямитель, на его выходе присутствуют пульсации с частотой 50Hz с амплитудой в два раза больше остальных.  
   Лучший результат по падению напряжения получаем от хорошо известного мостового выпрямителя по схемам А и В, как без вывода вторичной обмотки, так и с выводом. Падение напряжения в данном случае будет 87V (11%). Хуже работает выпрямитель с удвоением напряжения по схеме D. У него падение напряжения 111V (14%). Его можно применять, если трансформатор рассчитан на два раза меньшее напряжение, намотать много витков на высоковольтный трансформатор всегда сложнее, чем в два раза меньше и проводом, у которого площадь сечение в два раза больше. Ещё хуже работает двухполупериодная схема С, у которой падение напряжения 130V (16%). Такую схему можно применять только в низковольтных выпрямителях, где падение напряжения на выпрямительном диоде одного порядка с падением напряжения на обмотке трансформатора. Для высоковольтных выпрямителей плюсов такой схемы не вижу, лучше обмотки подключить параллельно и применить мостовой выпрямитель.    

Теперь про умножители напряжения сети. Они, как и все  умножители, имеют большее падение  напряжения, чем мостовые выпрямители. Но их прелесть в том, что не надо тяжёлого, громоздкого анодного трансформатора. Как уже писал, удвоитель по схеме  Е имеет повышенную пульсацию, а  также у него падение напряжения больше (124V, 15%) чем в схеме D, он имеет  больше ёмкостей. Его в таком виде применять не стоит. Для удвоения лучше использовать схему D. Но если к нему добавить ещё один выпрямитель  отрицательного напряжения, получим  утроитель (F) или учетверитель (G, H). У утроителя при данных ёмкостях падение напряжения 132V (16,5%), у учетверителя зависимо от ёмкости конденсаторов  С12 и С13 (С14, С15) в схеме G 179V (22%), в  схеме Н 130V (16%). Как видно в осциллограммах, пульсации от номиналов конденсаторов  С12 и С13 (С14, С15) не зависят, от них  зависит только падение напряжения. Пульсации зависят только от ёмкости  конденсаторов на выходе. Для уменьшения падения напряжения следует увеличивать  ёмкость конденсаторов С8, С12, С13, но это увеличивает цену, габариты блока питания передатчика, а  на уменьшение падение напряжения это  влияет всё меньше. Считается, что  оптимально тогда, когда их ёмкость  в два раза больше фильтрующих  конденсаторов. При подключении  таких умножителей к реальной эл. сети 230V и нагрузив выходным током 1А, в схеме F падение напряжения получим  около 135V (14%), в схеме G 185V (14,5%), в схеме H 136V (10,6%). После трансформатора такие  умножители в мощных цепях включать не стоит, но можно применять для  получения напряжения экранной или  управляющей сеток.   

Интерес представляет ушестерение  напряжения сети (рис. А и В). Выходное напряжение холостого хода схемы  около 1,8kV.

   

Схема содержит 14 шт. конденсаторов 470µFх400V (С5 состоит из двух последовательно  включённых конденсаторов, С3 из четырёх  последовательно - параллельно включённых конденсаторов, то же самое и для  другого плеча). При токе 0,5А (рис. А) падение напряжения будет около 180V (10%), при токе 1А (рис. В) 335V (19%), что  уже многовато. Таким выпрямителем можно питать, например ГУ-74Б. Увеличение мощности умножителя, как и коэффициента умножения, вряд ли целесообразно, так  как резкое увеличение количества довольно дорогих конденсаторов сильно повышает цену и габариты выпрямителя.   

Блок питания можно  делать и смешанным способом, т.е. часть напряжения получить путём  умножением напряжения сети, а другую часть получить с трансформатора. На рисунке показана схема блока  питания 2kV/1А, в которой применено  учетверение напряжения сети и трансформатор  ТА288. При токе 1А падение напряжения около 200V (10%), амплитуда пульсаций около 125V. Такой выпрямитель анодного напряжения я применяю в РА на 2хГУ-74Б.

 
   Следует иметь в виду, что в  умножителях напряжения сети в схемах указанную точку заземления ни в  коем случае нельзя подключать прямо  к корпусу усилителя. Дело в том, что один провод эл. сети заземлён и, в случае подключения точки заземления к корпусу, корпус относительно земли  будет иметь большое напряжения (300, 600 или 900 вольт). Катод лампы подключается к минусовой точке выпрямителя. Возбуждение на лампу надо подавать через ВЧ трансформатор. На выходе усилителя  между лампой и П контуром обычно стоит развязывающий конденсатор, который функцию развязки и так  выполняет.

 Сглаживающие фильтры

Для уменьшения пульсаций  выпрямленного напряжения применяют  сглаживающие фильтры (СФ).

Снижение пульсаций оценивается  коэффициентом сглаживания

,

где Kп и Kп’ – коэффициенты пульсаций до и после фильтра.

Основными требованиями к  сглаживающим фильтрам является максимальное уменьшение высокочастотных составляющих токов в сопротивлении нагрузки.

У индуктивного элемента  , а у емкостного элемента

,

где k – номер гармоники.

Поэтому индуктивность устанавливают  последовательно, а емкость –  параллельно нагрузке.

Емкостной фильтр

 

 

Конденсатор заряжается до напряжения U2, когда U2 > Uс (интервал t1 – t2). В течение интервала времени (t2 – t3) напряжение Uс > U2 – диод закрыт, а конденсатор разряжается через резистор Rн с постоянной времени  .

С момента времени t3 Uс < U2 – конденсатор заряжается и т.д.

То есть, когда диод пропускает ток конденсатор заряжается, а  когда к диоду приложено обратное напряжение – конденсатор разряжается  на нагрузку Rн.

 

 

 

 

 

Индуктивный фильтр

В течение положительного полупериода напряжения u2, когда  ток i нарастает, индуктивная катушка Lф запасает энергию, а в отрицательный полупериод – энергия расходуется на поддержание тока.

Длительность импульсов  тока iн определяется постоянной времени  . Чем больше индуктивность Lф, тем больше затягивается импульс и его амплитуда снижается из-за индуктивного сопротивления  . Падает и среднее значение тока.

Обычно индуктивность Lф в однополупериодных схемах не применяют, а используют в двухполупериодных:

Разновидности сглаживающих фильтров:

LC- RC-фильтры; Г-, П-, Т- образные  фильтры.