Принцип работы однополупериодного выпрямителя

Работоспособность кремневых выпрямительных диодов сохраняется при температурах от -60 до +150º С, а германиевых -60 до +85º С.

В зависимости от номинала максимального прямого тока выпрямительные диоды можно условно разделить на малой (до 300mA), средней (300mA-10А) и большой мощности (>10А). По типу используемого материала они бывают германиевые и кремниевые.

Кремневые выпрямительные диоды имеют во много раз меньшие обратные токи и гораздо более высокую величину допустимого обратного напряжения, которое может быть даже и 1000, и даже 1500В, тогда как у германиевых максимум 400В. Согласитесь, весьма существенная разница.

Работоспособность кремневых выпрямительных диодов сохраняется при температурах от -60 до +150º С, а германиевых -60 до +85º С.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

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

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

Через действующее значение напряжения: U₀=√2 ∙U₂/π.

Выпрямлением называется процесс преобразования переменного тока в постоянный при помощи устройств, обладающих односторонней проводимостью. Устройства, используемые при этом, называются выпрямительными.

Выпрямительное устройство (ВУ) обычно состоит из трёх основных элементов:

— трансформатора (изменяет величину переменного напряжения из источника питания, приводя её к величине требуемого напряжения);

— электрического вентиля (непосредственно осуществляет выпрямление переменного тока), бывают полупроводниковые, вакуумные электронные, газоразрядные;

— сглаживающего фильтра (уменьшает пульсацию выпрямленного тока и напряжения на выходе ВУ).

При выпрямлении переменного тока, в зав-ти от числа фаз сети, питающей ВУ, и характера нагрузки, а также требований для выпрямленного тока и напряжения, электрические вентили соединяются по различным схемам. При выпрямлении однофазного переменного тока простейшими схемами выпрямления является однополупериодная и двухполупериодная однотактные однофазные схемы. Однотактными выпрямительными схемами наз-ся такие схемы, при которых ток во вторичной обмотке трансформатора протекает только в одном направлении.

Схема однополупериодного выпрямителя:

Кривая получаемого в процессе однополупериодного выпрямления пульсирующего тока может быть разложена в гармонический ряд Фурье:

Пульсирующий ток, как видно из выражения, кроме переменных составляющих содержит также и постоянную I₀=I_m/π. Отсюда постоянная составляющая напряжения

Через действующее значение напряжения: U₀=√2 ∙U₂/π.

Переменные составляющие характеризуют величину пульсаций тока и напряжения.

Для оценки пульсаций при какой-либо схеме выпрямления вводится понятие коэффициента пульсаций q, под которым понимается отношение амплитудыA_mнаиболее резко выраженной гармонической составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющейA_втоканапряжения в выходной цепи выпрямителя:q=A_m/A_B.

Для схемы однополупериодного выпрямителя: q=0.5I_m/(1/π ∙I_m)=π/2.

В течение половины периода, когда анод диода имеет отрицательный относительно катода потенциал, диод тока не проводит. Напряжение, воспринимаемое диодом в непроводящий полупериод, называется обратным напряжением U_обр. Обратное напряжение на диоде будет определяться напряжением на вторичной обмотке. Максимальное значение напряженияU_обрm=U_2m. Значит, вентиль надо выбирать так, чтобы [U_{max обр}]>=U_2m.

Недостатки такой схемы выпрямления: большие пульсации выпрямленного тока и напряжения, а также плохое использование трансформатора, поскольку по его вторичной обмотке протекает ток только в течение половины периода. Такую установку используют в маломощных системах, когда выпрямленный ток мал.

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Таким образом, за счет накопленной энергии конденсатор обеспечивает протекание тока через нагрузку и в отрицательные полупериоды входного сигнала. При этом емкость конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, равное половине периода.

Схема однополупериодного выпрямителя выглядит следующим образом:

Пусть на входе у нас переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону:

Резистор же R_н играет роль нагрузки. То есть мы должны обеспечить протекание через него постоянного тока. Давайте разберемся как эта простейшая схема сможет решить нашу задачу!

Итак, диод D_1 пропускает ток только в одном направлении, в те моменты, когда к нему приложено прямое смещение, что соответствует положительным полупериодам ( U_<вх>gt0 ) входного сигнала. Когда к диоду будет приложено обратное смещение (отрицательные полупериоды), он будет закрыт и по цепи будет протекать только незначительный обратный ток. И в результате сигнал на нагрузке будет выглядеть так:

Обратным током обычно можно пренебречь, поэтому в итоге мы получаем, что ток через нагрузку протекает только в одном направлении. Но назвать его постоянным не представляется возможным 🙂 Ток через нагрузку хоть и является выпрямленным (протекает только в одном направлении), но носит пульсирующий характер.

Для сглаживания этих пульсаций в схему выпрямителя тока обычно добавляется конденсатор:

Идея заключается в том, что во время положительного полупериода, конденсатор заряжается (запасает энергию). А во время отрицательного полупериода конденсатор, напротив, разряжается (отдает энергию в нагрузку).

Таким образом, за счет накопленной энергии конденсатор обеспечивает протекание тока через нагрузку и в отрицательные полупериоды входного сигнала. При этом емкость конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, равное половине периода.

Проверяем напряжение на нагрузке для этой схемы:

В точке 1 конденсатор заряжен до напряжения U_1 . Далее входное напряжение понижается, а конденсатор, в свою очередь, начинает разряжаться на нагрузку. Поэтому выходное напряжение не падает до нуля вслед за входным.

В точке 2 конденсатор успел разрядиться до напряжения U_2 . В то же время значение входного сигнала также становится равным этой же величине, поэтому конденсатор снова начинает заряжаться. И эти процессы в дальнейшем циклически повторяются.

А теперь поэкспериментируем и используем в схеме однополупериодного выпрямителя конденсатор меньшей емкости:

И здесь мы видим, что конденсатор из-за меньшей емкости успевает разрядиться гораздо сильнее, и это приводит к увеличению пульсаций, а следовательно к ухудшению работы всей схемы.

На промышленных частотах 50 – 60 Гц однополупериодный выпрямитель практически не применяется из-за того, что для таких частот потребуются конденсаторы с очень большой емкостью (а значит и внушительными габаритами).

Смотрите сами, чем ниже частота, тем больше период сигнала (а вместе с тем, и длительности положительного и отрицательного полупериодов). А чем больше длительность отрицательного полупериода, тем дольше конденсатор должен быть способен разряжаться на нагрузку. А это уже требует большей емкости.

Таким образом, на более низких частотах в силу своих ограничений эта схема не нашла широкого применения. Однако, на частотах в несколько десятков КГц однополупериодный выпрямитель используется вполне успешно.

Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

• К основным достоинствам схемы, в первую очередь, конечно же, можно отнести простоту и, соответственно, небольшую себестоимость – используется всего один диод.
• Кроме того, снижено падение напряжения. Как вы помните, при протекании тока через диод на нем самом падает определенное напряжение. По сравнению с мостовой схемой (которую мы разберем в следующей статье), ток протекает только через один диод (а не через два), а значит и падение напряжения меньше.

Основных недостатков также можно выделить несколько:

• Схема использует энергию только положительного полупериода входного сигнала. То есть половина полезной энергии, которую также можно было бы использовать, уходит просто в никуда. В связи с этим КПД выпрямителя крайне низок.
• И даже с использованием сглаживающих конденсаторов величина пульсаций довольно-таки значительна, что также является очень серьезным недостатком.

Итак, давайте резюмируем! Мы разобрали схему и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя тока, а в следующей статье перейдем к более сложным схемам выпрямителей, не пропустите!

Принцип работы выпрямителя

Считается, что трансформатор и выпрямительный диод — идеальны, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, у диода Rпр = 0 и Rобр = ∞.

Рис.2 Схема однополупериодного выпрямителя

Принцип работы выпрямителя

Рассмотрим временные диаграммы однополупериодного выпрямителя (рис.3) в интервале времени 0 — T/2 диод VD1 открыт φА > φВ, в нагрузке течет ток iн .
В интервале времени T/2 — T диод закрыт φА

Источник вторичного электропитания, Понятие. классификация. назначение

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Схема. понятие. принцип работы.

где: π — константа равная 3,14.

Как устроен выпрямитель

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети – 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 – 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц).

Двухполупериодные выпрямители

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше “провалов” напряжения – тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов – общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наиболее распространенные схемы

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка. Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 – отрицательным полюсом.

В период действия «положительного» импульса верхний вывод генератора по схеме имеет положительную полярность (плюс), нижний – отрицательную. В период действия «отрицательного» импульса на верхнем вводе генератора по схеме возникает «плюс», на нижнем – «минус».

Однополупериодный выпрямитель, это примитивная схема, имеющая всего один ключевой элемент – выпрямительный диод, предназначенная для выделения из переменного тока постоянной составляющей одного направления.

Зная, как работает выпрямительный диод, разбираться в работе выпрямителя уже не придётся, поскольку вся схема и есть этот самый диод. Но если Вы новичок – добро пожаловать в тему!

Рисунок 1. Схема включения выпрямительного диода в цепь.

Обратим внимание на рисунок 1. Генератор G1 вырабатывает прямоугольные импульсы различной полярности. Между импульсами сформированы промежутки, когда напряжение генератора равно нулю. Импульсы с напряжением выше нуля Вольт условно назовём положительными и на диаграммах будем выделять красным цветом, ниже нуля – отрицательными и покажем их синим цветом.

В период действия «положительного» импульса верхний вывод генератора по схеме имеет положительную полярность (плюс), нижний – отрицательную. В период действия «отрицательного» импульса на верхнем вводе генератора по схеме возникает «плюс», на нижнем – «минус».

Рисунок 2. Схема измерения напряжений элементов схемы.

Для лучшего понимания поясняющих диаграмм обратимся к рисунку 2. Здесь мы выделили отдельные узлы, имеющие логические обозначения: Ф и Н соответственно фаза и нейтраль генератора G1, а Ср – средняя точка, или точка соединения диода с лампой. Эти узлы отделяют все три элемента схемы, благодаря чему мы можем измерить напряжение в процессе работы схемы на каждом элементе в отдельности, подключая вольтметры к этим узлам.

Чтобы ещё лучше понять схему, рассматривайте цепочку диод-лампа VD1-HL1 как резистивный делитель напряжения, один из резисторов которого (диод) имеет несимметричную нелинейную вольтамперную характеристику, или упрощённо – при прямом напряжении сопротивление минимально, а при обратном напряжении – бесконечно велико.

Рисунок 3. Диаграмма, поясняю-щая работу однополупериодного выпрямителя.

Представим, что у нас есть три вольтметра с двусторонней симметричной шкалой, по которой мы можем определить и величину напряжения, и полярность по направлению отклонения стрелки. Те, кто уже знаком с осциллографом, представьте, что вместо вольтметров подключены осциллографы, а рассматриваемые далее диаграммы ни что иное, как осциллограммы напряжений на элементах схемы.

Вольтметр (осциллограф) UG1 показывает напряжение на выводах генератора G1. UVD1 измеряет падение напряжения на диоде VD1, а UHL1 напряжение на лампе HL1.

Рисунок 4. Диаграмма, поясня-ющая работу однополупериод-ного выпрямителя.

Рисунок 5. Анимация.

Так, рассматривая диаграмму напряжения на нагрузке HL1, мы можем отметить, что нагрузка всегда оказывается включенной на напряжение положительной полярности генератора, и отключена при появлении напряжения отрицательной полярности. Т.е. через лампу будет протекать ток только одного направления (оного полупериода), имея такой же импульсный характер, как и напряжение на лампе.

Собственно, так и работает однополупериодный выпрямитель, роль которого в нашем случае выполняет диод VD1.

Что касается рассмотрения работы выпрямителя при синусоидальной форме кривой переменного напряжения генератора, то принцип по сути тот же самый, только форма кривой напряжения на элементах будет пропорционально повторять форму синусоидальной кривой напряжения генератора (рисунок 4).

На рисунке 5 представлена анимация процесса работы однополупериодного выпрямителя.

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении (U_ <вх>= U_ <вх max>sin) , представлены на рис. 3.4-1б.

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

На интервале времени (left[ <0;>T/2 right]) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале (left[ T/2 <;>T right]) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

где (U_<вх д>) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

где (I_) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

Действующее значение тока нагрузки (I_<н д>) (через диод протекает такой же ток):

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения (U_<н ср>) к действующему значению входного переменного напряжения (U_<вх д>) называется коэффициентом выпрямления ((K_<вып>)). Для рассматриваемой схемы (K_ <вып>= <0,45>).

Максимальное обратное напряжение на диоде (U_ <обр max>= U_ <вх max>= pi U_<н ср>) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

(I_1 cdot w_1 = left( I_2 – I_ <н ср>right) w_2) ,

где (I_1), (I_2) — токи первичной и вторичной обмоток, а (w_1), (w_2) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину (I_ <н ср>cfrac).

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток (Phi_0 = w_2 cdot I_0). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает (k_ <тр P>approx <0,48>).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Рис. 3.4-4. График зависимости (A(beta))

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

где (r) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя).

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке (varphi = left[pi/2 – beta ; pi/2 + beta right]):

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки (beta) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения ((U_н)), сопротивления ((R_н)) или тока нагрузки ((I_н)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы (r)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента (A):

(A left( beta right) = cfrac pi r> )

Средний ток через диод (I_<д ср>) равен среднему току нагрузки (I_<н ср>), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: (I_н = I_<д ср>). Таким образом:

(A left( beta right) = cfrac pi r> = cfrac )

Для нахождения угла отсечки (beta) при известном коэффициенте (A(beta)) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при (U_ <вх>= U_<вх max>) в момент времени, когда (varphi = pi/2 ), т.е. согласно выражения (3.4.1):

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

График функции (F(beta)) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки (beta) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

Рис. 3.4-5. График зависимости (F(beta))

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (K_п) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

где (H(beta)) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

Рис. 3.4-6. График зависимости (H(beta))

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

Приняв ток в цепи в начальный момент времени ((t = 0)) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

где ( theta = operatorname left( cfrac right) )

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы (theta). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

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]

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 следующего полупериода полярность напряжения источника меняется на противоположную. Теперь точка B положительна по отношению к C. На этот раз диод D2 смещен в прямом направлении, а диод D1 — в обратном. Как вы можете видеть, только вторая половина вторичной обмотки трансформатора обеспечивает ток. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.

Недостатки двухполупериодного выпрямителя

Одним из недостатков двухполупериодного выпрямителя является необходимость в трансформаторе, имеющий во вторичной обмотке центральный отвод. По этой причине в мощных источниках питания размеры и стоимость таких трансформаторов существенно возрастают. Вот почему использование выпрямителя с центральным отводом оправдана только в устройствах с низким энергопотреблением.

Еще одним недостатком является то, что из-за центрального отвода для выпрямления используется только половина вторичного напряжения.

Чтобы избежать этих недостатков можно использовать мостовой двухполупериодный выпрямитель.