Преобразователь переменного тока в постоянный — это устройство, преобразующее энергию переменного тока в постоянный. Это устройство нелинейное, поэтому спектр напряжения на его выходе отличается от входного. В иностранной литературе подобные устройства называются преобразователями AC/DC (переменный/постоянный ток). На рисунке 1 приведено условно-графическое обозначение преобразователя AC/DC. На его входе и выходе приведены осциллограммы и спектрограммы напряжения.
Рисунок 1. Условно-графическое обозначение выпрямителя
В состав преобразователя переменного напряжения в постоянное входят как выпрямитель, так и фильтр, подавляющий нежелательные
составляющие выходного напряжения. Задача фильтра, подключаемого к выходу выпрямителя, выделить только постоянную составляющую
U0 (полезный эффект выпрямления) и подавить все остальные составляющие спектра напряжения Ud
(пульсации). Это действие часто называется "сглаживанием" выходного напряжения. Поэтому такой фильтр называется сглаживающим.
Его выполняют в виде ФНЧ (обычно LC-фильтра) с полосой пропускания
Если выпрямитель, входящий в состав преобразователя AC/DC, в процессе работы использует одну полуволну напряжения переменного тока, то он называется однотактным или однополупериодным, а если обе полуволны — то двухтактным или двухполупериодным. На рисунке 2 приведена упрощенная схема однотактного преобразователя переменного напряжения в постоянное.
Рисунок 2. Эквивалентная схема однотактного преобразователя переменного тока в постоянный
На данном рисунке ключ К синхронно с частотой источника U1 подключает нагрузку к источнику. На нагрузке получается
пульсирующее напряжение с частотой ωc. За период частоты входного колебания через нагрузку и
источник проходит только один импульс тока. Частота первой гармоники тока (и напряжения пульсаций на нагрузке) равна
частоте сети ωc. Постоянная составляющая тока нагрузки в данной схеме протекает через источник
входного напряжения. Если в его составе присутствует трансформатор, то это приведет к его подмагничиванию и ухудшению
массогабаритных параметров. Если напряжениесети на входе однополупериодного выпрямителя гармоническое
Рисунок 3. Временные диаграммы напряжения на входе и выходе однополупериодного преобразователя
Как видно из данного рисунка уровень постоянной составляющей тока на выходе схемы однотактного преобразователя AC/DC достаточно мал. Поэтому чаще применяется двухтактная схема. Схема двухтактного преобразователя переменного напряжения в постоянное приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Эквивалентная схема двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный
В данной схеме ключи К1 и К2 подключают нагрузку на время одной полуволны (Т/2) два раза за период. Поэтому за период изменения напряжения сети через нагрузку и источник проходят два импульса тока, причем благодаря переключению ток через нагрузку протекает в одном направлении. Постоянная составляющая тока нагрузки не протекает через первичный источник и не влияет на его работу. Частота импульсов тока и напряжения на нагрузке UH в два раза выше частоты сети ωc, что позволяет уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Все перечисленные факторы позволяет значительно улучшить массу и габариты преобразователя переменного тока в постоянный. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухтактного преобразователя переменного тока в постоянный приведены на рисунке 5.
Рисунок 5. Временные диаграммы напряжений и токов на входе и выходе двухполупериодного преобразователя
В качестве ключей в схемах преобразователей переменного тока в постоянный используются неуправляемые и управляемые вентили, в качестве которых используются диоды, тиристоры, биполярные и полевые транзисторы. Наиболее широко применяются неуправляемые вентили, в качестве которых используются мощные полупроводниковые диоды.
Следует отметить, что современные AC/DC преобразователи строятся по более сложной схеме. В них сначала производится выпрямление и фильтрация входного колебания, затем генерация высокой частоты, напряжение которой трансформируется в нужное на выходе, а затем снова выпрямление и фильтрация всех нежелательных спектральных составляющих. Это позволяет значительно уменьшить габариты преобразователя и повысить его к.п.д. Часто они выполняются в виде малогабаритного неразъемного блока.
Рисунок 6. Внешний вид AC/DC преобразователя
