Ток Iн.ср является прямым током диода, т. е.

I_пр.ср= I_н.ср =0,45U₂/R_н

Ток i_н является током вторичной обмотки трансформатора: i_н =i₂.Тогда с учетом (9.1) действующее значение этого тока

(9.1а)

При подсчете типовой мощности трансформатора практически без большой ошибки можно считать, что S₁»S₂. Тогда

S_тр» S₂ = U₂I₂ = 2.22U_н.ср1,57I_н.ср»3,5Р_н.ср (9.2)

Коэффициент пульсаций р= 1,57. Это значение получается разложением в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

(9.4)

Принимая во внимание, что коэффициент пульсаций р есть отношение ампли­туды, основной (первой) гармоники, частота которой в данном случае равна w, к выпрямленному напряжению U_н.ср, получим

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя яв­ляется его простота. Анализ электрических параметров, позволяет сделать вывод о недостатках этого выпрямителя: большой коэффи­циент пульсаций, малые значения выпрямленных тока, и напряже­ния.

Следует обратить внимание еще па один недостаток однополу­периодного выпрямителя. Ток i₂ имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что, В' свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостою хода трансформатора, а сле­довательно, к снижению к.п.д. всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель применяют обычно для пита­ния высокоомных нагрузочных устройств (например, электронно­лучевых трубок), допускающих повышенную пульсацию; мощность не более 10—15Вт.

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам

выпрямителей. Иначе говоря, диоды во многом определяют основ­ные показатели выпрямителей.

Диоды характеризуются рядом основных параметров. Для того чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде U_пр при прямом токе I_пр должно быть минимальным. В паспорте на диод указывают среднее значение прямого тока I_пр.ср, которое численно равно среднему значению выпрямленного тока I_н.ср, и среднее значение прямого падения на­пряжения U_{пр. ср}.

Предельный электрический режим дио­дов характеризуют следующие параметры:

максимальное обратное напряжение U_{обр maх};

максимальный прямой ток I_{пр mах} соответствующий I_{выпр max.}

Необходимо учитывать также максимальную частоту диодов f_max. В случаях превышения этой частоты, как отмечалось в гл. 2, диоды теряют вентильные свойства.

Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выпол­нение условий I_пр.ср> I_н.ср и U_o6p.max>Ö` 2U_2m примерно, с превышением в 30%. Отметим, что при выпрямлении напряжения, ам­плитудное значение которого превышает U_обр.max для одного диода, можно включать последовательно два или несколько однотип­ных диодов. Обратное напряжение при этом будет распределяться пропорционально обратному сопротивлению диодов. Поскольку обратные сопротивления у однотипных диодов имеют некоторый разброс и обратные напряжения на последовательно включенных диодах будут разными, для выравнивания обратных напряжений параллельно диодам включают шунтирующие резисторы R_ш (рис. 9.3). Обычно R_ш»(0,1¸0,2)R_обр.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводнико­вые столбы (например, Д1004, Д1005, 1Ц104, 2Ц101, 2Ц110). Вы­прямительный столб — это группа последовательно соединенных диодов, помещенных в общий корпус. Такие столбы выдерживают напряжения (U_обр.max свыше 15 кВ.

Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовы­ми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для сво­его питания оба полупериода напряжения сети. Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям, име­ют более высокий к.п.д. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мосто­вой выпрямитель (рис. 9.4, а). Он состоит из трансформатора и че­тырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей места подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой — нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов (Д₁, Д₃ и Д₂, Д₄) работает поочередно.

Диоды: Д₁ , Д₃ открыты в первый полупериод напряжения вто­ричной обмотки трансформатора и₂ (интервал времени 0 — Т/2), когда потенциал точки а выше потенциала точки b. При этом в нагрузочном

резисторе R_н появ­ляется ток i_н
(рис. 9.4, б). В этом интервале диоды Д₂, Д₄ закрыты.

В следующий полу период на­пряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 — Т) потенциал точки bвыше потен­циала точки а, диоды Д₂, Д₄ от­крыты, а диоды Д₁ , Д₃ закрыты. В оба полупериода, как видно из рис. 9.4, ток через нагрузоч­ный резистор R_н имеет одно и тоже направление.

(9.5)

Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для средних значений выпрямленных напряжения и тока:

I_н.ср=U_н.ср/R_н » 0,9 U₂/R_н

Из (9.5) можно найти действующее напряжение вторичной обмотки транс­форматора:

(9.6)

Так кaк средний ток каждого диода, являющийся также током вторичной об­мотки трансформатора,

I_пр.ср = I_ср = 0,5 I_н.ср., (9.6а)

а максимальный ток вторичной обмотки I_2m=U_2m/R_н. то с учетом (9.5)действующее значение тока вторичной обмотки

(9.6 б)

(9.7)

Из временных диаграмм видно, что максимальное обратное напряжение на диодах

Максимальный прямой ток диода

(9.8)

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одина­ковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления R_н мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие преимущества: средние значения выпрямленных тока I_н.ср и напряжения U_н.ср в два раза больше, а пульсации значи­тельно меньше.

Разложив напряжение и_н (рис. 9.4, б) в ряд Фурье, получим числовое значение коэффициента пульсаций:

(9.9)

Амплитуда основной гармоники частотой 2w равна 2/3. Следо­вательно, p»0,67.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки включены параллельно, имеет такое же значение, что и в

однополупериодном выпрямителе, т. е. U_2m =Ö` 2U₂. Все эти пре­имущества достигнуты за счет увеличения количества диодов в че­тыре раза, что является основным недостатком мостового выпря­мителя.

В настоящее время промышленность выпускает полупроводни­ковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мосто­вой схеме. В этих блоках могут быть один (КЦ402) или два электри­чески не соединенных моста (КЦ403).

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вто­ричной обмотки трансформатора (рис. 9.5, а) можно рассматри­вать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, вклю­ченных на один и тот же нагрузочный резистор R_н.Действительно, в каждый из полупериодов напряжения u_ab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя. Когда потенциал точки а выше потенциала средней точки О (интервал времени 0 — Т/2), диод Д₁ открыт, диод Д₂ закрыт, так как потенциал точки bниже потенциала точки О. В этот период времени в нагрузочном резисторе R_н появ­ляется ток i_н (рис. 9.5, б). В следующий полупериод напряжения u_ab (интервал времени Т/2 — Т) потенциал точки b выше, а потенци­ал точки а ниже потенциала точки О. Диод Д₂ открыт, а диод Д1

закрыт. При этом ток в нагрузочном резисторе R_H имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод. При одинаковых значениях напряжений U_2a и U_2b эти токи будут равны.

Данный тип выпрямителя имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовой выпрямитель, за

исключением напряжения U_{обр max} которое определяется напря­жением и_аЬ. При U_ab=2U₂ и одинаковых значениях сопротивлений нагрузочных резисторов R_н

U_{о6р mах} =pU_н.ср » 3,14 U_н.ср (9.10)

Все остальные соотношения для токов и напряжений определя­ются по формулам (9.5), (9.6), (9.8), полученным для мостового выпрямителя, а коэффициент пульсаций p»0,67 [см. (9.9)].

Помимо указанного недостатка в рассматриваемом двухполупериодном выпрямителе габариты, масса и стоимость трансформатора значительно больше, чем в однополупериодном и мостовом выпрями­телях, поскольку вторичная обмотка имеет вдвое большее число витков и требуется вывод от средней точки обмотки.

Отметим, что достоинства этого выпрямителя, присущие мосто­вому выпрямителю, достигаются при вдвое меньшем количестве диодов.

Двухполупериодные выпрямители применяют для питания на­грузочных устройств малой и средней мощностей.

Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощностей. Существует два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.

На рис. 9.6, а изображена схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом. В него входят: трехфазный трансформатор, обмотки! которого соединены звездой, три диода, включенные в каж­дую из фаз трансформатора, и нагрузочный резистор R_н.

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью времен­ных диаграмм, представленных на рис. 9.6, б. Из рисунка видно, что диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток (например, а) более положителен, чем двух других (b и с). Выпрямленный ток в нагрузочном резисторе R_н создается токами каждого диода, имеет одно и то же направление и равен сумме выпрямленных токов каждой из фаз: i_н=i_а+i_b+i_c

В нагрузочном токе iн этого выпрямителя пульсации значитель­но меньше по сравнению с однофазным выпрямителем. Разложив напряжение и_н (рис. 9.6, б) в ряд Фурье, получим

Подсчет коэффициента пульсаций дает значение 0,25.

Среднее значение выпрямленного напряжения, как и для однофазного выпря­мителя,

прямленного тока доходят до сотен ампер, а напряжение — до десятков киловольт. Достоинством такого выпрямителя является достаточно высокая надежность, что определяется минимальным количеством диодов. К недостаткам следует отнести подмагничивание

сердечника трансформатора постоянным током, что приводит, как отмечалось, к снижению к.п.д. выпрямителя.

Трехфазный мостовой выпрямитель, несмотря на то что в нем используется в два раза больше ди­одов, по всем показателям превос­ходит рассмотренный трехфазный выпрямитель. Схема этого выпрями­теля (рис. 9.7, а) была предложена в: 1923 г. советским ученым А. И. Ларионовым. Данный выпрямитель содержит мост из шести диодов. Диоды Д₁ Д₃, Д₅ образуют одну группу а диоды Д₂, Д₄, Д₆— другую. Общая точка первой группы диодов образует положительный полюс на нагрузочном резисторе R_н, а общая точка вто­рой группы — отрицательный полюс на нем. В этом выпрямителе в каждый момент времени ток в нагрузочном резисторе и двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение. Например, в интервал времени t₁ — t₂ (рис. 9.7, б)

ток возникает в цепи диод Д₁ — нагрузочный резистор R_н — диод Д₄, так как к этим диодам приложено линейное напряжение u_ab, которое в этот интервал времени больше других линейных напряжений. В интервал времени t₂ — t₃ открыты диоды Д₁ Д₆, так как к ним приложено наибольшее в это время линейное напряжение и_ас и. т. д. Нетрудно видеть, что во все интервалы времени токи в на­грузочном резисторе R_н имеют одно и то же направление. , Из временных диаграмм рис. 9.7, б видно, что пульсации вы­прямленного напряжения значительно меньше, чем в трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом. Для трехфазного мостового выпрямителя разложение кривой напряжения рис. 9.7, б в ряд Фурье приводит к выражению

Подсчет коэффициента пульсаций дает значение 0,057.

Значение выпрямленного напряжения в рассматриваемом выпрямителе в два раза больше,

чем в выпрямителе с нейтральным выводом:

где U_2л — линейное напряжение на вторичной обмотке трансформатора.

Как и в трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом, максимальное обратное напряжение здесь равно амплитудному значению линейного напряже­ния. Однако по отношению к среднему выпрямленному напряжению в мостовом выпрямителе оно в два раза меньше:

(9.17)

Следовательно, диоды в данном выпрямителе можно выбирать по обратному напряжению, близкому к U_н.ср. К.п.д. выпрямителя А. Н. Ларионова больше, чем к.п.д. выпрямителя с нейтральным выводом, так как в мостовом выпрямителе нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.