Легкий расчет выпрямителя силовых каскадов

Выпрямители широко используются в схемах электропитания различных устройств. В этой статье мы рассмотрим простые методы расчета выпрямителей для силовых каскадов, чтобы конструктор мог быстро подобрать оптимальную схему выпрямления для конкретного устройства.

Основные типы и параметры выпрямителей

Существует несколько основных типов схем выпрямителей:

• Однополупериодные
• Двухполупериодные
• Мостовые

Каждая схема имеет свои преимущества и недостатки, поэтому при выборе нужно учитывать параметры нагрузки и требования к выпрямителю.

Основные параметры выпрямителей:

• Выпрямленный ток
• Выпрямленное напряжение
• Выходная мощность
• Коэффициент пульсаций
• КПД

Однополупериодные выпрямители характеризуются высокими пульсациями напряжения и низким КПД. Их чаще всего используют с небольшими токами нагрузки. Двухполупериодные схемы обеспечивают меньшие пульсации, но требуют большей мощности трансформатора. Мостовые выпрямители наиболее эффективны и позволяют получить наименьшие пульсации, поэтому чаще всего применяются при больших токах и мощностях.

Расчет однополупериодного выпрямителя

Рассмотрим последовательность расчета простейшего однополупериодного выпрямителя (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Схема однополупериодного выпрямителя

1. Выбор диода по обратному напряжению Уобр ≥ 1,5·Увыпр и по току Ид ≥ 1,1·Ин
2. Расчет емкости конденсатора фильтра:
   C = 3000·Ин / (f·Увыпр·Кп)
3. При необходимости дополнительного сглаживания - расчет параметров дросселя

Рассмотрим конкретный пример расчета. Допустим, требуется выпрямитель со следующими параметрами:

• Выпрямленное напряжение Увыпр = 12 В
• Ток нагрузки Ин = 2 А
• Частота сети f = 50 Гц
• Коэффициент пульсаций Кп = 0,01

Тогда:

1. Уобр ≥ 1,5·12 = 18 В, Ид ≥ 1,1·2 = 2,2 А - подходит диод типа Д226Б
2. C = 3000·2 / (50·12·0,01) = 5000 мкФ - выбираем конденсатор 6800 мкФ / 16В

Полученные параметры позволяют спроектировать однополупериодный выпрямитель с заданными характеристиками.

Расчет двухполупериодного выпрямителя

Для уменьшения пульсаций часто используют двухполупериодную схему выпрямления (рис. 2). Порядок расчета такого выпрямителя:

1. Определение вторичного напряжения трансформатора U2 = 0,8-0,9·Увыпр
2. Выбор диодов с Уобр ≥ 1,5·U2, Ид ≥ 1,1·Ин
3. Расчет емкости конденсатора фильтра как для однополупериодной схемы
4. Расчет мощности и параметров трансформатора

Рисунок 2. Схема двухполупериодного выпрямителя

Рассмотрим пример расчета такого выпрямителя с параметрами:

• Увыпр = 24 В
• Ин = 5 А
• f = 50 Гц

Выполняем расчет:

1. U2 = 0,8·24 = 19,2 В
2. Уобр ≥ 1,5·19,2 = 28,8 В, Ид ≥ 1,1·5 = 5,5 А - выбираем диод Д242Б
3. C = 3000·5 / (50·24·0,01) = 12500 мкФ - выбираем 15000 мкФ / 35В
4. Птр = 1,1·U2·Ин = 1,1·19,2·5 = 106 Вт

Таким образом определены основные параметры двухполупериодного выпрямителя с заданными характеристиками.

Расчет мостового выпрямителя

Мостовая схема (рис. 3) позволяет получить еще меньшие пульсации напряжения. Порядок расчета:

1. Определение U2 = 0,7-0,8·Увыпр
2. Выбор диодов с Уобр ≥ 1,25·Увыпр, Ид ≥ 0,5·Ин
3. Расчет емкости конденсатора фильтра
4. Оценка мощности и токов в цепях

Рисунок 3. Схема мостового выпрямителя

Рассмотрим численный пример для выпрямителя со следующими параметрами:

• Увыпр = 48 В
• Ин = 10 А
• f = 50 Гц

Выполняем расчет:

1. U2 = 0,8·48 = 38,4 В
2. Уобр ≥ 1,25·48 = 60 В, Ид ≥ 0,5·10 = 5 А - выбираем диод Д311
3. C = 3000·10 / (50·48·0,01) = 62500 мкФ - выбираем 82000 мкФ / 63В
4. Ид макс ≈ Ин / 0,5 = 20 А, Птр > 1,1·U2·Ин = 1,1·38,4·10 = 422 Вт

Таким образом определены параметры мостового выпрямителя с заданными требованиями.

Расчет LC- и RC-фильтров

Для дополнительного сглаживания пульсаций напряжения после выпрямителя часто применяют LC- и RC-фильтры.

LC-фильтр представляет собой последовательное или параллельное соединение конденсатора C и дросселя L. Емкость конденсатора рассчитывается по тем же формулам, что и для простого емкостного фильтра. Индуктивность дросселя определяется из условия:

• L > Увых / (6,28*f*ΔI), где ΔI - допустимый ток намагничивания дросселя.

В RC-фильтре конденсатор шунтируется резистором R. Сопротивление резистора выбирается из условия:

• R = 0,5*(Увых / Ин) - Рн, где Рн - сопротивление нагрузки.

Преимуществом LC-фильтра является меньший коэффициент пульсаций, но он более сложен в расчете. RC-фильтр проще, но дает бо́льшие пульсации и потери мощности на резисторе.

Особенности расчета трехфазных выпрямителей

Для получения бóльших мощностей используют трехфазные выпрямители. Различают схемы с мостом и со средней точкой (рис. 4, 5).

Рисунок 4. Трехфазный мостовой выпрямитель

Рисунок 5. Трехфазный выпрямитель со средней точкой

При выборе схемы учитывают требуемое выходное напряжение и коэффициент пульсаций. Мостовая схема дает меньшие пульсации.

Расчет трехфазного мостового выпрямителя проводится аналогично однофазному. Отличие в определении вторичного напряжения трансформатора:

• U2 = 1,35*Увых для трехфазного моста

Для трехфазного выпрямителя со средней точкой:

• U2 = 2,4*Увых

Остальные расчеты не отличаются.

Учет температурных режимов элементов

При расчете выпрямителей важно учитывать нагрев элементов и их охлаждение.

• Для диодов выбирают запас по току и температуре.
• Для конденсаторов учитывают нагрев от тока утечки.
• Дроссели должны иметь запас по максимальному току и не перегреваться.

Необходимо обеспечить эффективное охлаждение элементов выпрямителя с учетом тепловых режимов устройства.

Практические рекомендации

При монтаже выпрямителя следует:

• Правильно расположить элементы для охлаждения.
• Выполнить надежное соединение цепей.
• Установить защиту от перенапряжений.

При наладке необходимо:

• Проверить полярность подключения.
• Измерить пульсации выходного напряжения.
• Убедиться в отсутствии перегрева элементов.

Придерживаясь изложенных рекомендаций, можно спроектировать надежный и эффективный выпрямитель для конкретного устройства.