Выпрямители

По форме выпрямленного напряжения выпрямители бывают однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). В качестве активного элемента в обеих схемах могут применяться электровакуумные или полупроводниковые диоды. В настоящее время электровакуумные диоды применяются в некоторых случаях только в высоковольтных (выпрямленное напряжение больше нескольких тысяч или десятков тысяч вольт) выпрямителях. В основном в схемах выпрямителей вторичных источников питания используются полупроводниковые диоды.

Схема однополупериодного выпрямителя на п/п диоде и его временные диаграммы при работе на активную нагрузку (R_н) приведены на рис. 2.

Рис. 2. Однополупериодный выпрямитель на п/п диоде

а – электрическая схема, б,в - временные диаграммы

В настоящее время однополупериодная схема выпрямления используется редко, так как она имеет существенные недостатки, в частности: малый выпрямленный ток, сильные пульсации постоянного выходного напряжения.

Наиболее широко применяются в источниках питания малой мощности два варианта однофазного двухполупериодного выпрямителя: с нулевым проводом и мостовой.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым проводом, а также временные диаграммы токов и напряжений в его цепях при работе на активную нагрузку приведена на рис. 3.

Рис. 3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевым проводом

а – электрическая схема; б, в, г – временные диаграммы

Такой выпрямитель упрощённо можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, которые питаются противофазными напряжениями и работают на одну нагрузку. В таком выпрямителе обязательно имеется сетевой трансформатор Тр. с двумя вторичными обмотками, имеющими общий (нулевой) вывод. Эти обмотки включаются так, чтобы напряжения u ₂ и u ₃ на их внешних выводах были равны по величине и противоположны по фазе относительно нулевого вывода.

В первом полупериоде на угловом интервале 0…p (0…180°) напряжение u ₂ = U_m sin wt положительно относительно нулевого вывода (рис. 3, б), следовательно, открывается диод VD ₁ и через нагрузку R_н протекает ток i ₁ = i_н. Так как падение напряжения на открытом диоде близко к нулю, то к нагрузке R_н прикладывается почти всё напряжение верхней вторичной обмотки u ₂ (рис. 3, в). Диод VD ₂ на этом интервале закрыт, так как находится под обратным (запирающим) напряжением.

Во втором полупериоде на угловом интервале p…2p (180…360°) положительным относительно нулевого провода становится напряжение u₃, следовательно, открывается диод VD ₂ и i _н = i ₂, а u_н = u ₃. Под обратным напряжением оказывается диод VD ₁. В дальнейшем процессы в схеме периодически повторяются, поэтому ток i_н протекает через нагрузку R_н только в одном направлении, следовательно, является выпрямленным током нагрузки (рис. 3, в).

Обратное напряжение, прикладываемое к закрытым диодам, рано сумме напряжений на обоих обмотках – U_{обр m} = 2 U_m.

Основными характеристиками выпрямителя являются: среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного напряжения U_н или тока I_н, сопротивление нагрузки R_н, действующее (среднеквадратическое) значение напряжения сети U ₁ и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.

Среднее значение выпрямленного напряжения можно определить по формуле

где U ₂ = U ₃ – действующее значение напряжений на вторичных обмотках.

Наибольшую амплитуду из переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения имеет первая гармоника U_{n 1}, частота которой в два раза больше частоты сети

где m – эквивалентное число фаз, участвующих в выпрямлении за один период сетевого напряжения 2p (для двухполупериодной схемы m = 2).

Коэффициент пульсаций, определяющий качество выпрямленного напряжения, равен отношению амплитуды первой гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения

Например, для выпрямителя с нулевым проводом К_n = 2/3» 0,67» 67% при активной нагрузке R_н.

Рис.4. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

а – электрическая схема; б, в, г – временные диаграммы

I_a = I ₁ = I ₂ = I_н/2 =0,5 U_н / I_н.

Однофазный мостовой выпрямитель, схема и временные диаграммы которого приведены на рис. 4 содержит, в отличие от предыдущего варианта, четыре полупроводниковых диода VD ₁… VD ₄, соединённых по схеме четырёхплечего моста. В одну диагональ моста подаётся сетевое напряжение через трансформатор Тр. или непосредственно, а в другую включается нагрузка – R_н. Диоды в схеме проводят ток парами поочерёдно. В отличие от предыдущей схемы, обратное напряжение на закрытых диодах моста равно напряжению на вторичной обмотке – U_{обр m} = U_m.