Однофазные выпрямители.

2.1.1. Однополупериодный выпрямитель.

Схема и временные диаграммы напряжений и токов приведены на рисунках 1 и 2

Рис.1

Схема содержит трансформатор ТР, в цепи вторичной обмотки которого включены последовательно диод Д и сопротивление нагрузки Rн.

При принятых допущениях (идеальный трансформатор) следует, что если напряжение u 1 на первичной обмотке трансформатора меняется по синусоидальному закону, то напряжение на вторичной обмотке u 2 также синусоидально.

Ток через диод i а, следовательно, и через нагрузочный резистор i н появляется в те полупериоды, когда потенциал точки а выше потенциала точки б вторичной обмотки трансформатора, так как в эти полупериоды диод Д открыт. Когда потенциал точки а отрицателен по отношению к потенциалу точки б, диод закрыт, ток в цепи равен нулю. Таким образом, ток в резисторе Rн появляется только в одном из полупериодов напряжения u 2, а схема называется однополупериодной. При принятых допущениях (идеальный диод) в положительный полупериод напряжения u 2 величина напряжения на нагрузочном резисторе равна величине u 2, а на диоде нулю, а в отрицательный полупериод u н=0, а величина u а = u 2.

В этой схеме Uн.ср=0,45U2 и тогда

. (1)

Рис.2

Недостатки этой схемы:

- малое среднее значение тока нагрузки Iн.ср;

- большое обратное напряжение Uобр.макс = U2m;

- высокий уровень пульсаций (коэффициент пульсации ).

Эти недостатки устраняются в двухполупериодных схемах выпрямителей, в которых используются оба периода напряжения в сети.

2.1.2 Выпрямитель со средней точкой трансформатора.

Выпрямитель с выводом средний точки вторичной обмотки трансформатора является двухполупериодным выпрямителем, схема и временные диаграммы которого приведены на рисунках 3 и 4.

Рис.3

Выпрямитель состоит из трансформатора с вторичной обмоткой имеющей среднюю точку, двух диодов Д1 и Д2 и нагрузочного резистора Rн, включенного между средней точкой трансформатора и катодами двух диодов.

Схему можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей включенных на общую нагрузку.

Рис.4

Считаем, что напряжение на каждой половине вторичной обмотки трансформатора равны между собой u 2а = u 2б = u 2.

В течение положительной половины периода напряжение u 2а точки а схемы имеет более высокий потенциал (++), чем средняя точка (+) и еще более высокий потенциал, чем точка б. При этом диод Д1 открыт, ток в нагрузочном резисторе i н = i а1, к диоду Д2 приложено напряжение равное u аб.

В течении второй половины периода напряжения точка а имеет наиболее низкий потенциал (--), средняя точка более высокий (-), а точка б самый высокий потенциал (+), диод Д2 открыт, ток в нагрузочном резисторе i н = i а2 и имеет тоже направление, что и в первом полупериоде.

В такой схеме величина Uн.ср = 0,9U2. и ток нагрузке определяется по формуле

, (2)

значит Iн.ср и Uн.ср в два раза выше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Пульсации значительно меньше (коэффициент пульсации р» 0,67), однако обратное напряжение на закрытых диодах вдвое больше: Uобр.макс= 2U2m

2.1.3 Мостовая схема выпрямителя.

Наиболее распространенной схемой является мостовая схема двухполупериодного выпрямителя (Рис.5) соответствующие временные диаграммы, которой приведены на рисунке 6.

Рис.5

В этой схеме диоды Д1-Д4 включены по мостовой схеме, к одной диагонали которой подведено переменное напряжение u 2, а к другой подключен нагрузочный резистор Rн.

В течение первой половины периода напряжения u 2, когда потенциал точки а положителен, а точки б отрицателен, диоды Д1, Д3 открыты, а Д2, Д4 - заперты, ток i н течет через диод Д1, нагрузочный резистор Rн и диод Д3. К диодам Д2, Д4 приложено напряжение вторичной обмотки трансформатора u 2.

В другой полупериод напряжения u 2 потенциал точки а ниже потенциала точки б и диоды Д2, Д4 открыты, а Д1, Д3 закрыты, при этом ток i н течет через диод Д2, нагрузочный резистор Rн и диод Д4 в том же направлении, что и в первый полупериод напряжения.

Рис.6

При этом средний ток Iн.ср и среднее напряжение Uн.ср на нагрузке в два раза превышают ток и напряжение однополупериодного выпрямителя, а пульсации такие же как в выпрямителе со средней точкой.

Обратное напряжение на диодах в закрытом состоянии равно соответственно Uобр.макс = U2m.

Величина Uн.ср = 0,9U2 и ток нагрузке определяется по формуле

. (3)

2.1.4 Внешние характеристики выпрямителей.

Зависимость напряжения от величины тока нагрузки Uн= f(Iн) называют внешней характеристикой выпрямителя. Она определяется формулой

(4)

где: Uн.хх - напряжение на нагрузке на холостом ходу (Iн=0);

Rтр - активное сопротивление трансформатора;

Rд - сопротивление диода в прямом направлении.

На рисунке 7 представлены внешние характеристики некоторых типов выпрямителей с фильтрами и без них:

1 - однополупериодный выпрямитель без фильтра;

2 - двухполупериодный выпрямитель без фильтра;

Рис.7