Однополупериодный выпрямитель

Устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный, называется выпрямителем. Выпрямитель состоит: из силового трансформатора, который трансформирует напряжение сети до величины, необходимой для получения заданного напряжения постоянного тока на выходе выпрямителя; системы диодов, преобразующих переменный ток в постоянный; сглаживающего фильтра, который уменьшает пульсацию выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя; стабилизатора, который поддерживает постоянство напряжения на нагрузке при изменениях ее сопротивления или напряжения сети.

Рис. 6.4. Схема однополупериодного однофазного выпрямителя

В зависимости от требований, предъявляемых к выпрямителю условиями работы нагрузки, сглаживающий фильтр и стабилизатор могут отсутствовать.

Простейшим однофазным выпрямителем является однополупериодный, схема которого представлена на рис. 6.4. Если диод идеальный (его сопротивление в прямом направлении R_пр=0, а в обратном R_обр=∞), то при синусоидально изменяющемся вторичном напряжении трансформатора u₂, ток в резисторе R_н появится только в те полупериоды напряжения u₂, когда потенциал точки 1 будет положителен относительно точки 2, (рис.6.4.) т.к. при таком напряжении диод открыт. Когда потенциал точки 1 относительно точки 2 отрицательный, диод закрыт и ток в цепи вторичной обмотки трансформатора и в цепи нагрузки равен нулю (рис.6.5). Таким образом, ток в резисторе пульсирует и появляется только в один из полупериодов напряжения u₂.

Т.к. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, в положительный полупериод падение напряжения на диоде также равно нулю, и как следует из второго закона Кирхгофа для контура вторичной обмотки, . В отрицательный полупериод напряжения , ток нагрузки = 0 (рис. 6.5) и = , а максимальное значение обратного напряжения = .

Выпрямители характеризуются средними выпрямленными значениями напряжений и токов за период:

U_ср.= .

После интегрирования и получим:

U_ср.= =0,45 (6.2)

Аналогично для тока:

= . (6.3)

Действующее значение выпрямленного тока есть среднее квадратичное его значение за период, т.е.

I= = . (6.4)

Рис. 6.5. Волновые диаграммы тока и напряжения однофазного однополупериодного выпрямителя: u2 – напряжение на входе в выпрямитель; iн – ток, протекающий в нагрузке

После интегрирования получим:

I= . (6.5)

Совместное решение уравнений (6.3) и (6.5) дает действующее значение тока через диод:

I = =1,57 (6.6)

Электрические параметры выпрямителей определяют выбор диодов для них. Выпрямители надежно работают только в том случае, когда параметры диодов превышают параметры выпрямителей. Поэтому при подборе диода для выпрямителя необходимо, чтобы его максимальное допустимое обратное напряжение (приводится в паспорте диода) было больше расчетного значения обратного напряжения, т.е. должно выполняться условие U_{m.обр.доп.}≥U_m.обр.=U_2m, а с учетом соотношения (6.2):

_.=3,14 (6.7)

Необходимо также, чтобы максимальное значение выпрямленного тока диода (приводится в паспорте диода) было больше расчетного значения, т.е. должно выполняться условие:

_. I=1.57 (6.8)

Из рис. 6.5 видно, что напряжение на нагрузке достигает максимума один раз за период.

Следовательно, частота пульсации напряжения на нагрузочном резисторе воднополупериодной схеме равна частоте источника энергии.

Большая пульсация выпрямленного напряжения является одним из основных недостатков однополупериодного выпрямителя. Другим - недостаточное использование трансформатора по току, т.к. среднее значение выпрямленного тока, как видно из уравнения (6.3), значительно меньше действующего значения тока вторичной обмотки трансформатора.

Указанных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители, в которых используются оба полупериода напряжения источника энергии. Наиболее распространенная мостовая схема двухполупериодного выпрямителя приведена на рис. 6.6.