Однополупериодный выпрямитель, принцип его работы и схема. Однополупериодный выпрямитель схема

принцип работы, схемы и т.д.

Однополупериодный выпрямитель — это устройство или контур, проводящее во время одной половины цикла переменного тока. Однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводникового диода (D1) и сопротивления (RL).

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однополупериодного выпрямителя

В этом примере сопротивление RL представляет нагрузку, хотя, на самом деле, нагрузкой может быть любой элемент или группа элементов, которая может вызвать падение напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии прямого подключения — положительный электрический потенциал воздействует на его анод, а отрицательный потенциал воздействует на его катод. Когда D1 находится в состоянии прямого подключения, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки трансформатора, через сопротивление нагрузки, через диод, обратно к положительной стороне вторичной обмотки. Поскольку ток протекает через сопротивление нагрузки, в нём происходит падение напряжения; ток, выходящий из выпрямительного контура появляется в виде положительной полуволны на сопротивлении нагрузки.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

В течение второй половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии обратного подключения — на его анод воздействует отрицательный электрический потенциал, а положительный электрический потенциал воздействует на его катод. Этот диод не проводит, поэтому в сопротивлении нагрузки RL никакое напряжение не присутствует.

Однополупериодный выпрямитель в состоянии обратной проводимости D1

Как видно по форме кривой, у однополупериодных выпрямителей только одна полуволна постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе. По этой причине в оборудованиях обычно не применяются однополупериодные выпрямители; когда они используются, они обычно устанавливаются в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не бывают причиной для беспокойства.

Форма кривой выходного сигнала однополупериодного выпрямителя

kipiavp.ru

Выпрямители

1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и его временные диаграммы представлены на рис. 1.

Рис. 1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а)

и диаграммы напряжений и токов в схеме (б)

Во время положительной полуволны напряжения на выходной обмотке трансформатора диод VD открывается и по цепи из последовательно соединенных обмотки трансформатора, диода, и нагрузки протекает ток iО=iVD=i2 (рис. 1,б). Во вторую половину периода точка а имеет отрицательный потенциал, следовательно, диод закрывается и ток в цепи отсутствует.

Таким образом, ток через диод и нагрузку протекает только в течение одного полупериода, поэтому схема называется однополупериодной.

Если рассматривать идеализированную схему выпрямления без потерь в трансформаторе и диоде, то в первом полупериоде все напряжение вторичной обмотки трансформатора и2 оказывается приложенным к нагрузке Rн, и поэтому график выпрямленного напряжения u1 повторяет положительную полуволну графика напряжения и2 (рис. 1,б).

Мгновенное значение тока в первичной обмотке трансформатора определяется выражением

i1=(i2 - I0)n21,

где n21= U2/U1, а I0 —постоянная составляющая выпрямленного тока.

Ток первичной обмотки определяется переменным напряжением сети u1 и не может содержать постоянной составляющей. Поэтому значение постоянной составляющей I0 вычитается из мгновенного значения i2 тока вторичной обмотки. Таким образом, разность (i2—I0), измененная в п21 раз, будет представлять собой график тока первичной обмотки i1 (n21 на рис.1,б для упрощения принят равным единице).

Во время второго полупериода напряжения и2 диод закрыт, а следовательно, все напряжение вторичной обмотки трансформатора и2 оказывается приложенным к последовательно соединенным нагрузке RН и диоду VD. Поскольку обратное сопротивление диода намного больше сопротивления нагрузки RH, то с достаточной для практики точностью сопротивлением нагрузки в данном случае можно пренебречь; т. е. можно считать, что во время второго полупериода к зажимам диода в обратном направлении приложено напряжение uобр, график которого повторяет отрицательную полусинусоиду напряжения вторичной обмотки трансформатора и2 (рис. 1,б).

В рассматриваемой схеме постоянная составляющая выпрямленного тока I0, протекая по вторичной обмотке трансформатора, создает вынужденное подмагничивание его магнитопровода. Необходимо отметить, что вынужденное намагничивание магнитопровода трансформатора ухудшает работу трансформатора, поскольку в этом случае он работает в условиях насыщения, которые, как известно, приводят к росту намагничивающего (реактивного) тока i1. Следовательно, возрастает реактивная мощность, потребляемая трансформатором из сети, и уменьшается его коэффициент мощности. Устранить явление вынужденного подмагничивания возможно в схемах выпрямления, в которых отсутствует постоянная составляющая тока вторичных обмоток трансформатора.

Основным преимуществом однополупериодной схемы является простота.

К недостаткам схемы относятся:

1) большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения KП01;

2) большие масса и объем трансформатора (вследствие плохого использования обмоток и вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора).

Вследствие указанных недостатков однофазная однополупериодная схема при работе применяется только в выпрямителях очень малой мощности.

studfiles.net

Однополупериодный выпрямитель, принцип его работы и схема

Питание электронных схем самого различного назначения требует источника постоянного напряжения. В обычной бытовой сети ток переменный, его частота в большинстве случаев 50 Гц. Форма графика изменения величины напряжения представляет собой синусоиду с периодом в 0,02 секунды, при этом один полупериод оно относительно нейтрали положительное, второй – отрицательное. Для решения задачи его преобразования в постоянную величину применяются выпрямители переменного тока. Они бывают разной конструкции, и их схемы могут отличаться.

однополупериодный выпрямитель

Для того чтобы понять, как работает самый простой однополупериодный выпрямитель, нужно сначала разобраться в природе электрической проводимости. Ток есть направленное движение заряженных частиц, которые могут иметь противоположную полярность, условно их делят на электроны и дырки, иначе – доноры и акцепторы, имеющие проводимости «n» и «p» типов соответственно. Если материал с n-проводимостью соединить с другим, p-типа, то на их границе образуется так называемый p-n-переход, ограничивающий движение заряженных частиц одним направлением. Это открытие позволило использовать полупроводниковую технику, заменив ею большинство ламповой электроники.

выпрямители переменного тока

Однополупериодный выпрямитель в своей основе содержит диод, устройство с одним p-n переходом. Переменное напряжение, поступающее на вход схемы, на выходе содержит лишь его половину, ту, которая соответствует направлению включения выпрямительного диода. Вторая часть периода, имеющая противоположное направление, просто не проходит и «срезается».

однофазный выпрямитель

На схеме изображен однофазный выпрямитель, применяемый чаще всего в простых домашних устройствах и предназначенный для бытовых целей. В промышленных условиях часто используется трехфазная сеть, поэтому и схемы преобразования переменного тока в постоянный могут быть сложнее. Кроме того, как правило, в цепь включают предохранители и фильтры. На входе схемы может включаться понижающий трансформатор или другой источник переменного напряжения. Выпрямительные диоды различаются по своим параметрам, главным из которых является величина тока, на которую диод рассчитан.

однополупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель имеет существенный недостаток по сравнению с двухполупериодным. Напряжение после выпрямления не является в буквальном смысле постоянным, оно пульсирует от максимальной величины до нуля по полусинусовидной форме графика и имеет в промежутке между импульсами нулевое значение. Такую неравномерность подачи обычно компенсируют включением сглаживающего конденсатора довольно большой величины (иногда измеряемой в тысячах микрофарад), рассчитанного на напряжение не меньшее, чем возникает на выходе схемы, как правило, с запасом. Такая мера также не обеспечивает идеальной ровности графика, но величина отклонений от заданного значения значительно снижается, что дает возможность применять однополупериодный выпрямитель для запитывания простых схем, не требующих высокой стабильности напряжения.

В более сложных случаях используются двухполупериодные схемы выпрямления с последующей стабилизацией.

fb.ru

Трехфазный однополупериодный выпрямитель

Данная схема содержит трехфазный трансформатор и три диода (рис.1,а). Первичные обмотки трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником, вторичные обмотки соединяются только звездой с выводом нулевой точки. Нагрузка Rн включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом. Таким образом, трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом является сочетанием трех однофазных выпрямителей, питающихся тремя симметричными напряжениями (последние сдвинуты на 120°) и работающих на общую нагрузку.

Рис.1.Трехфазная однополупериодная схема (а) и диаграммы токов и напряжений в ней.

В данном выпрямителе в любой произвольно выбранный момент времени открыт (проводит ток) тот диод, анод которого находится под наибольшим положительным потенциалом. Аноды двух других диодов будут иметь меньший потенциал (рис.1, а), и эти диоды будут закрыты, поскольку наибольший потенциал открытого диода окажется запирающим для двух других. Например, в течение промежутка времени t1-t2 (т. е. в течение 1/з периода) наибольшим положительным потенциалом обладает точка А - анод диода VD1 (рис.1,б). Через VD1, RH и первую фазную обмотку (А) трансформатора протекает ток i1=i0 =iA. Точка соединения катодов окажется под потенциалом точки А схемы. Следовательно, VD2 и VD3 будут заперты, так как потенциалы их анодов (точки В и С) в этот промежуток времени будут меньше потенциала точки А (рис.1,б). В течение промежутка t2-t3 наибольший положительный потенциал будет на аноде VD2 (точка В), следовательно VD2 проводит ток, а VD1 и VD3 заперты. В течение промежутка t3-t4 работает VD3, a VD1, VD3 заперты и т.д.

Таким образом, VD1 VD2, VD3 работают поочередно, каждый в течение 1/з периода; при этом на нагрузку работают соответствующие фазные обмотки трансформатора.

Так как падение напряжения в обмотках трансформатора и вентилях идеализированной схемы считается равным нулю, то форма выпрямленного напряжения и0 (рис.1,б) имеет форму огибающей фазовых напряжений вторичных обмоток трансформатора (uА, uB, uC).

Графики i1, i2, i3, а также график выпрямленного тока iо исходя из допущения об идеальных диодах и трансформаторе определяются соотношением

Обратное напряжение на диоде определяется исходя из того, что к электродам закрытых диодов приложена разность потенциалов, соответствующая линейному напряжению вторичных обмоток трансформатора.

Каждая фазная обмотка трансформатора данной схемы работает лишь один раз в период в течение 1/з его длительности (рис.1,б), при этом ток протекает по ней только в одном направлении. Поэтому появляющаяся в этом случае постоянная составляющая тока вызывает вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора. Для устранения подмагничивания вторичные обмотки выполняются в виде отдельных секций, которые соединяются по схеме «зигзаг», благодаря чему магнитные потоки, создаваемые в каждом из стержней постоянной составляющей тока, взаимно компенсируются.

Применение трехфазной схемы позволяет уменьшить габариты и массу сглаживающего фильтра вследствие увеличения частоты пульсации в 1,5 раза и уменьшения коэффициента пульсации Кп0,3 более чем в 2,5 раза.

Основным недостатком данной схемы является вынужденное подмагничивание магнитопровода, однако этот недостаток устраняется применением схемы «зигзаг».

По трехфазной однополупериодной схеме выполняются выпрямители средней и большой мощности.

studfiles.net

01Пр-Однополупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель

Задача 1. Рассчитать однополупериодный однофазный выпрямитель, работающий на активную нагрузку.

Требуемые характеристики:

1. Напряжение питающей сети - U~=220 В.

2. Постоянная составляющая выходного напряжения -

3. Постоянная составляющая тока нагрузки -

Расчетное задание для каждого студента индивидуальное. Вариант определяется номером в журнале учебной группы N.

Порядок расчета.

1. Определить сопротивление нагрузки согласно закону Ома для постоянного тока.

2. Рассчитать требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора, токи постоянной и переменной составляющих вторичной обмотки.

3. Рассчитать коэффициент трансформации трансформатора.

4. Определить ток первичной обмотки трансформатора.

5. Рассчитать средний ток, максимальный ток и обратное напряжение выпрямительного диода.

6. Рассчитать коэффициент пульсаций на нагрузке.

Задача 2.Составить схемы выпрямителя и выполнить компьютерное моделирование работы выпрямителя в средеMultisim.

Задача 3.Снять осциллограммы напряжений и токов во всех цепях схемы.

Задача 4.По снятым осциллограммам определить экспериментальные параметры всех токов и напряжений, рассчитанных в задаче 1. Сравнить экспериментальные и расчетные результаты.

По полученным материалам подготовить отчет.

Краткие теоретические сведения

Схема

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и его временные диаграммы представлены на рис. 1.

Рис. 1. Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Если рассматривать идеализированную схему выпрямления без потерь в трансформаторе и вентиле (диоде), то в первом полупериоде все напряжение вторичной обмотки трансформатора и2 оказывается приложенным к нагрузке Rн, и поэтому график выпрямленного напряжения uН повторяет положительную полусинусоиду графика напряжения и2.

Рис. 2.

На рис. 2 показаны значения напряжения и тока в нагрузке: мгновенные u2 (u0), i2, i0; амплитудные U2m, I2mи средние U0, I0. Графики токов, протекающих по выпрямительному диоду VD, нагрузке Rн, вторичной обмотке трансформатора, будут одинаковы, т.е. iVD=iН=i2; ординаты графика этих токов в данной (идеализированной) схеме определяются соотношением u0/Rн.

Основные параметры схемы.

При расчете ИВЭП обычно задаются следующие параметры нагрузки: U0, I0 — средние значения выпрямленного напряжения и тока, а также Кп.н% —допустимый, т.е. нормируемый для данной нагрузки, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. С другой стороны, каждая схема выпрямления обеспечивает определенное значение коэффициента пульсации выпрямленного напряжения на выходе Кп%, так что при проектировании ИВЭП необходимо обеспечить, чтобы Кп% выбранной схемы ИВЭП не превышал указанной Кп.н%.

Выпрямленное напряжение U0 определяется графиком мгновенных значений напряжения на нагрузке uН. Для определения выпрямленного напряжения достаточно найти постоянную составляющую в спектре uН. Согласно формуле нулевой спектральной составляющей ряда Фурье она равна среднему значению uН, т. е

Аналогично для тока нагрузки можно получить

Отсюда легко находится требуемое напряжение вторичной обмотки трансформатора и амплитудное значение тока i2.

Коэффициент трансформации n21 определяется как отношение напряжения вторичной обмотки к напряжению во вторичной

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения часто рассчитывается по 1-й гармонике. По определению он равен

KП01=U01m/U0,

где U01m — амплитуда основной (первой) гармоники (ее значение можно определить путем разложения несинусоидальной кривой выпрямленного напряжения в ряд Фурье).

Коэффициент пульсации для однополупериодного выпрямителя можно найти, определив амплитуду основной гармоники напряжения U01m из ряда Фурье, т.е. U01m= (π/2)U0= 1,57U0, и тогда

При расчете трансформатора исходными параметрами являются действующие значения напряжений в обмотках U1,U2 и токов I1, I2.

При выборе диодов основными параметрами являются максимально допустимые значения среднего прямого тока Iпр.ср max= I0 и импульсного обратного напряжения

Uобр.и max= U2m.

Мгновенное значение тока в первичной обмотке трансформатора определяется выражением

i1=(i2 - I0)n21,

где n21= U2/U1, а I0 —постоянная составляющая выпрямленного тока i2.

Действующее значение тока в первичной обмотке

Особенности моделирования в среде Multisim

При моделировании любой схемы следует помнить, что программа рассчитывает переменные и постоянные составляющие процессов. Переменные составляющие могут рассчитываться относительно среднего значения равного нулю. Постоянные составляющие могут быть рассчитаны только относительно точки с нулевым потенциалом. По этой причине в схемах обязательно присутствие символа нулевого потенциала, в качестве которого в Multisimиспользуется символ заземления (GROUND). Этот символ должен присутствовать во всех участках схемы, которые не связаны между собой по постоянному току. В схеме однополупериодного выпрямителя это участки до трансформатора и после него, поэтому должно быть два символа нулевого потенциала. Для первичной обмотки трансформатора зануляется средний вывод функционального генератора, к которому присоединяется один из выводов первичной обмотки. Для вторичной обмотки со средним выводом нулевой потенциал задается на среднем выводе. Для однополупериодного выпрямителя предпочтительно использовать силовой трансформатор со средним выводом, но использовать только одну половину вторичной обмотки.

В учебном моделировании удобно использовать виртуальные компоненты, особенно трансформатор. В данном курсе удобно использовать трансформатор TS_VIRTUALиз группы базовых виртуальных компонентовBASIC_VIRTUAL. Основные параметры базовых виртуальных компонентов могут легко изменяться в контекстном меню свойств (Properties). Чтобы легче было их находить, можно с помощью менюView/Toolbarsустановить инструментальную панельVirtual.

studfiles.net

Назначение, схема и принцип работы однополупериодного выпрямителя

Рис.1. Схема однополупериодного выпрямителя.

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.[1][2]

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Данные выпрямители применяются также для обеспеченияпитанием в системах наблюдения и сигнализации. В области малыхмощностей они находят применение для заряда стартерных батарейдизельных двигателей и газовых турбин.

Принцип действия выпрямителя очевиден из приведенного рисунка. Схема с самозапуском – операционный усилитель (ОУ) питается от выпрямленного напряжения.

24.Назначение, схема и принцип работы двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

В том случае если при выпрямлении переменного тока необходимо использовать оба полупериода, то нам потребуется выпрямитель совершенного иного типа. Такая схема называется двухполупериодным выпрямителем. В одной разновидности двухполупериодного выпрямителя, называемой выпрямителем со средней точкой, используется трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки и два диода, как показано на рисунке ниже.

Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе. Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Принцип работы этой схемы нетрудно понять путём анализа по отдельности каждого полупериода. Сначала рассмотрим первый полупериод, когда напряжение источника будет положительным (+) сверху и отрицательным (-) снизу. В этот момент проводит только верхний диод, а нижний блокирует ток, и, следовательно, нагрузка "видит" только первый полупериод синусоиды. В этой части цикла ток протекает только по верхней половине вторичной обмотки трансформатора (см. рисунок ниже).

в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции .

Площадь под интегральной кривой равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора (или расход меди).

25.Назначение, схема и принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя

Принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя Двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из трансформатора Тр и четырх диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов Д1, Д3 и Д2, Д4 работает поочередно.

В течение положительной полуволны входного напряжения открываются диоды VD1 и VD3, и в цепи нагрузки возникает импульс тока. Отрицательная волна напряжения открывает диоды VD2 и VD4, что также приводит к протеканию импульса тока через нагрузку. Мостовая схема имеет характеристики, аналогичные предыдущей схеме. Достоинством мостовой схемы является меньшее число витков вторичной обмотки, чем в предыдущей схеме. В настоящее время в схемах выпрямителя наиболее часто используют не отдельные диоды, а диодные сборки (КЦ 402, КД 405 и т.д.), состоящие из 4-х диодов, образующих мостовую схему

infopedia.su

Однофазный однополупериодный выпрямитель

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 24Следующая ⇒

Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется - один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток.

Рис.3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

(а - схема однополупериодного выпрямителя; б - диаграмма входного напряжения; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π ) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус - к катоду (рис.3.2,а). Диод открывается, и ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора.

Во время отрицательной полуволны (в интервале π ÷ 2π) на анод диода поступает минус, а на катод - плюс входного напряжения, т.е. к диоду прикладывается обратное напряжение, и он закрыт.

На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.3.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е2 соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения Ed и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского словаdirect - прямой): Rd - сопротивление нагрузки; ud - мгновенное значение выпрямленного напряжения; id - мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

ЭДС обмотки трансформатора синусоидадьна -

e2=√2·E2·sin Θ, где

θ=ωt, E2 - действующее значение ЭДС.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

Ud=0,45E2.

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

Id=Ud/Rd.

Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля Iаср = Id . Максимальное значение анодного тока:

ia max=√2·E2/Rd=Id·π.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

Uобр max= √2·E2= Ed·π.

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

Kп=Uпульс max 01/Ud = (√2E2/2)/(√2E2/π) = π/2= 1,57

Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Рис.3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (рисунок выполнен авторами)

(а - схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой; б - диаграмма входного напряжения на диодах VD1 и VD2; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке; д - ток в первичной обмотке трансформатора)

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rd и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.3.3,б) e2a и e2b.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку Rd и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду - плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод VD2, а диод VD1 - закрыт. В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 3.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

Ed=2√2 ·E2/π; Ud=2√2 ·E2/π; Id=Ud/Rd;

ia max= √2 ·E2 /Rd; iа ср = Id/2; Uобр max= 2√2 ·E2; KП ´= 0,66

Однофазная мостовая схема

Рис.3.4. Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

(а - схема двухполупериодного выпрямитель, мостовая схема; б - диаграмма входного напряжения на диодах мостовой схемы; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г - диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

Мостовая схема является наиболее распространённой. Она также двухполупериодная. Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки Rd, диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку Rd, диод VD4. В случае чисто активной нагрузки, пренебрежении индуктивностью обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет следующие основные соотношения:

Ud = 0,9 E2; Id = Ud/Rd; ia max = √2·E2;

Ia cp = Id/2; Uобр max = √2·E2; KП = 0,66.

Если сравнить мостовую схему и схему со средней точкой, то для получения одинакового напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора. В этой же схеме к диодам прикладывается вдвое большее напряжение, чем в мостовой. Учитывая это, предпочтение отдаётся мостовой схеме, хотя здесь и требуется больше диодов. При выборе диодов для выпрямителя выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

Сглаживающие фильтры

Рассмотрим следующую схему сглаживания выпрямленного напряжения.

Рис.3.5. Сглаживание пульсаций с помощью емкостного фильтра (рисунок выполнен авторами)

(а - схема однополупериодного выпрямителя; б - диаграмма входного напряжения; в - диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке (пунктирной линией - без сглаживающего фильтра, красной линией - с емкостным фильтром)

На сопротивлении нагрузки выделяется пульсирующее напряжение, форма которого значительно отличается от формы постоянного напряжения. Для сглаживания пульсирующего напряжения используются сглаживающие фильтры, которые состоят в большинстве случаев из конденсатора и дросселя. Конденсатор сглаживает пульсирующее напряжение, а дроссель задерживает переменную составляющую сглаженного напряжения от попадания в нагрузку. В настоящее время функции дросселя выполняют стабилизаторы напряжения. Принцип сглаживания можно проследить по графику (рис.3.5,в). Красной линией показано напряжение на конденсаторе (или сопротивлении нагрузки). Сглаживание напряжения происходит за счёт того, что во время уменьшения пульсирующего напряжения ток в нагрузке, а, следовательно, и напряжение на Rн, поддерживаются напряжением зарядившегося конденсатора. При возрастании пульсирующего напряжения конденсатор снова подзаряжается и так далее. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

Xc= 1/mωC, где m - пульсность схемы, т.е. количество пульсаций за период.

Для однофазного однополупериодного выпрямителя m = 1, для однофазного двухполупериодного со средней точкой и мостового выпрямителя m = 2.

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом сглаживающего фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие ёмкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности используются Г-образные LC и RC-фильтры и П-образные СLC и СRC-фильтры. Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания:

k= kПсх/kПн,

где kпсх - коэффициент пульсаций на входе фильтра; kпн - коэффициент пульсаций на нагрузке. Ёмкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Применение ёмкостного фильтра рационально при достаточно больших значениях сопротивления нагрузки и коэффициента пульсаций на нагрузке. Фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 3.5,а). Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с ёмкостным фильтром находят по выражению:

kП = 1/mωRн

Индуктивно-ёмкостные фильтры (Г-образный LC-фильтр и П-образный CLC-фильтр) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. КПД у таких фильтров достаточно высокий. Недостатки индуктивно-ёмкостных фильтров: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный LC-фильтр (рис. 3.6). Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий:

Xc= 1/mωC<< Rн; XL = mωL >> Xc.

Рис.3.6. Индуктивно-ёмкостный сглаживающий фильтр -

Г - образный при учитывании только LC1 и П - образный C0 LC1 (рисунок выполнен авторами)

При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе L, для коэффициента сглаживания можно записать:

g = (mω)2LC - 1

Для того, чтобы избежать 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. Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

L ≥ 2Ud/(m2 - 1)mω·Id = 2Rн/(m2 - 1)mω.

П-образный CLC-фильтр отличается от описанного LC-фильтра наличием еще одной ёмкости C0, включаемой на входе фильтра. Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают ёмкость конденсатора C0, 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 C0 = C1.

При выборе конденсаторов фильтра следует 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-ёмкостные 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. 3.7) состоит из балластного резистора Rф и конденсатора С1. Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

g = mωC · RнRф/ (Rн+Rф).

Рис. 3.7. Резистивно-ёмкостный сглаживающий фильтр - Г - образный при учитывании только RФ C1 и П - образный C0 RФ C1 (рисунок выполнен авторами)

Сопротивление фильтра Rф выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД η по формуле:

Rф = Rн(1-η)/η

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При каскадном включении LC-фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (qф) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев:

qф = q1q2q3...qn

(Петрович В. П., 2008). Для нахождения оптимального числа звеньев такого фильтра nопт при заданном qф можно воспользоваться формулой:

nопт = |ln(1/gΣ)|/2.