Однофазные двухполупериодные выпрямители.

Однофазные двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом нулевой точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители более мощные, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют в работе оба полупериода напряжения сети. Коэффициент полезного действия (КПД) их значительно больше, чем однополупериодных выпрямителей.

Схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей представлены на рис.12(а) и 12(б).

(а)	(б)
Рис. 12 В однофазном выпрямителес нулевым выводом (рис.12а) нагрузка подключается к выводу от средней точки вторичной обмотки трансформатора. Предположим, что в верхней половине вторичной обмотки трансформатора имеется положительная полуволна синусоиды переменного тока, т.е. потенциал точки «а» – положительный, а потенциал точки «0» – отрицательный; тогда диод  будет открыт, через него и нагрузочный резистор  проходит ток . В этот же момент времени диод  будет закрыт, так как потенциал точки «б» – отрицательный, а потенциал нулевой точки «0» – положительный и ток через диод не проходит. Когда знаки входного напряжения синусоидального переменного тока поменяются и положительная полуволна будет в нижней половине вторичной обмотки трансформатора, т.е. потенциал точки «б» станет положительным, а потенциал точки «0» – отрицательным, диод  откроется, через него и нагрузку пройдет ток ; диод  закроется и ток через него не пройдет. В результате в нагрузочном резисторе за оба полупериода синусоиды появляется ток: .

М остовой двухполупериодный выпрямитель (рис.12б) состоит из трансформатора  и четырех диодов, подключенных ко вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. Нагрузочный резистор подключен к одной диагонали моста, а вторичная обмотка трансформатора – к другой.

Каждая пара диодов (  и ;  и ) работает поочередно. Диоды  –  открыты в первый полупериод синусоиды (интервал времени ), так как потенциал точки «а» выше потенциала точки «б» ().

При этом в нагрузочном резисторе  появляется ток . В этом же интервале времени диоды  –  закрыты.

Рис. 13

В следующий полупериод приходящей синусоиды () потенциал точки «б» становится больше потенциала точки «а» (), диоды  –  открываются, а диоды  –  закрываются и через нагрузочный резистор проходит ток . В оба полупериода ток через нагрузку  имеет одно и то же направление.

Выпрямленный ток нагрузки: .

Временные диаграммы тока и напряжения для обеих изображенных на рис.12 схем – одинаковы (рис.13).

Коэффициент пульсации у однофазных двухполупериодных выпрямителей значительно меньше, чем у однополупериодных (амплитуда основной гармоники частотой  равна , поэтому подсчет коэффициента пульсации дает значение .). При идеальном трансформаторе постоянная составляющая тока нагрузки: .

Главным преимуществом мостовой схемы двухполупериодного выпрямителя перед схемой с нулевым выводом средней точки трансформатора является более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение, на которое следует выбирать диоды, поскольку оно прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам, включенным последовательно, на интервале проводимости двух других диодов. Эти преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем количестве диодов.

Поэтому наибольшее применение нашла схема двухполупериодного мостового выпрямителя однофазного тока небольшой и средней мощности.

 

 3.4 Трехфазные выпрямители.

       Многофазное, в частности трехфазное, выпрямление дает возможность значительно уменьшить пульсации выпрямленного напряжения. Трехфазные выпрямители применяются как выпрямители средней и большой мощности. Существует два основных типа трехфазных выпрямителей:

- выпрямители с нулевым выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 14, а),

- выпрямители мостовые (рис. 14, б).

Выпрямитель с нулевым выводом состоит из трехфазного трансформатора , обмотки которого соединены звездой, трех диодов  включенных в каждую фазу трансформатора, и нагрузочного резистора . Диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фаз обмоток (например, ) более положителен, чем двух других (  и ).

Выпрямленный ток создается токами каждого диода, имеет одно и то же направление и равен сумме выпрямленных токов каждой из фаз:

а	б
Рис. 14

Коэффициент пульсации этих выпрямителей еще ниже (подсчет коэффициента пульсаций дает значение ), а средняя составляющая выпрямленного тока и напряжения значительно выше.

Выпрямитель мостового типа (схема Ларионова) содержит мост из шести диодов.

Диоды  образуют одну группу, в которой соединены все катодные выводы, а диоды  - другую, в которой соединены все анодные выводы. Общая точка первой группы образует положительный полюс на нагрузочном реостате , а общая точка второй группы - отрицательный полюс. В каждый момент времени ток в нагрузочном резисторе  и в двух диодах появляется тогда, когда к этим диодам приложено наибольшее напряжение.

Таким образом, в каждый данный момент времени работает тот диод первой группы, у которого анодный вывод имеет наибольший положительный потенциал относительно потенциала нулевой точки, а вместе с ним - диод второй группы, у которого катодный вывод имеет наибольший по абсолютному значению отрицательный потенциал относительно потенциала этой же нулевой точки.

Пульсации выпрямленного напряжения в этом выпрямителе еще меньше, чем в предыдущем (подсчет дает значение ), а КПД значительно выше, так как в нем нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.

Временные диаграммы, представленные на рис. 15 наглядно иллюстрируют порядок переключения диодов в обеих схемах трехфазных выпрямителей, а также показывают формы кривых выпрямленных значений напряжения и тока.

На рис.15а представлены синусоиды трехфазного переменного напряжения, сдвинутые по фазе друг относительно друга на одну треть периода (), питающие первичную обмотку трансформатора.

Для идеального трансформатора токи вторичных обмоток , ,  представляют собой три последовательности импульсов, длительностью  и амплитудой  каждая, сдвинутые относительно друг друга на  периода, ток нагрузки  имеет постоянную составляющую , а выпрямленное напряжение, имеющее постоянную составляющую , равно сумме положительных полуволн напряжений вторичных обмоток .

Работу мостового выпрямителя иллюстрируют совмещенные по времени кривые токов диодов первой группы , , , (рис.15б), токов диодов второй группы , ,  и тока нагрузки , а также выпрямленного напряжения .

Максимальное значение выпрямленного напряжения равно амплитуде синусоидального линейного напряжения трехфазного источника , а максимальное значение выпрямленного тока

В мостовом выпрямителе на каждых двух фазах, в которых диоды оказываются открытыми, осуществляется двухполупериодное выпрямление, каждый импульс имеет длительность , в отличие от выпрямителя (рис.15а), где между каждой фазой с открытым диодом и нулевым выводом осуществляется однополупериодное выпрямление.

Мощность многофазных выпрямителей обычно – от десятков до сотен киловатт и больше при токах до 1 000А, коэффициент полезного действия достигает 98 %.

 

(а)                                                                     (б)

Рис.15

3.5 Сглаживающие фильтры. Для улучшения формы кривой выпрямленного напряжения и для уменьшения пульсаций используются сглаживающие фильтры. Они выполняются на основе реактивных элементов - дросселей и конденсаторов. Дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсаторы – параллельно ей. По способу соединения элементов фильтры бывают Г – образные, Т – образные и П – образные.

Путем надлежащего выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение с наименьшими пульсациями.

Между сглаживающим фильтром и нагрузкой иногда подключают стабилизатор напряжения, обеспечивающий поддержание с необходимой точностью требуемой величины постоянного напряжения на нагрузке при изменении напряжения питающей сети и тока нагрузки.

В выпрямителях средней и большой мощности, выполненных по однофазной схеме, самым распространенным является простейший емкостной фильтр, когда конденсатор  включается параллельно нагрузке –  (рис.16 а).

Включение сглаживающего фильтра увеличивает постоянную составляющую выпрямленного напряжения  и уменьшает пульсации выпрямленного тока , увеличивая тем самым его постоянную составляющую.

 

(а)	(б)
Рис. 16

В интервале времени  конденсатор  через открытый диод  заряжается почти до амплитудного значения напряжения  (заряд конденсатора происходит по восходящей экспоненте). Так как  ток в этом интервале времени . В интервале времени , когда напряжение  уменьшается и становится меньше , конденсатор разряжается (разряд конденсатора происходит по нисходящей экспоненте) на нагрузку , заполняя разрядным током паузу в нагрузочном токе  (рис. 16 б).

Далее процесс в цепи будет периодически повторяться, т.е. происходит периодическая зарядка конденсатора фильтра током  от источника энергии и его последующая разрядка на цепь приемник

 

4. Полупроводниковый диод.

 

В настоящее время для выпрямления электрического тока в схемах применяют полупроводниковые диоды. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния, селена и других веществ.

Рассмотрим, как создается р – n – переход при использовании в диоде германия, обладающего проводимостью n -типа за счет небольшой добавки донорной примеси. Этот переход не удается получить путем механического соединения двух полупроводников с различными типами проводимости, так как при этом получается слишком большой зазор между полупроводниками. Толщина же р – n – перехода должна быть не больше межатомных расстояний. Поэтому в одну из поверхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индия в глубь монокристалла германия у поверхности германия образуется область с проводимостью р -типа.  Остальная часть образца германия, в которую атомы индия не проникли, по-прежнему имеет проводимость n -типа. Между двумя областями с проводимостями разных типов и возникает р – n – переход (рис.17). В полупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий – анодом.

Для предотвращения вредных воздействий воздуха и света кристалл германия помещают в герметический металлический корпус (рис.18).

Полупроводниковые выпрямители обладают высокой надежностью и имеют большой срок службы. Однако они могут работать лишь в ограниченном интервале

температур (примерно от – 70 до 125ºС).

Рис. 17	Рис. 18