Одно- и двухполупериодные выпрямители

Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители выполняются на полупроводниковых диодах.

В переменном электрическом напряжении можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения, относится к положительным полупериодам, а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным, см рис.10

Рисунок 10

 

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн, делая направление тока односторонним.

Схемы построения однофазных выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однополупериодные и двухполупериодные.

Будем считать, что выпрямляемое переменное напряжение поступает с вторичной обмотки трансформатора.

На рисунке 11 изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного напряжения однофазным однополупериодным выпрямителем.

 

Рисунок 11

 

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна, рис.12

Рисунок 12

 

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = U_max / π = 0,318 U_max

где: π - константа равная 3,14.

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они непригодны в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя, рис.13

Рисунок 13

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R_н, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А».

Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R_н, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя, рис.14

Рисунок 14

 

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U_ср = 2*U_max / π = 0,636 U_max

где: π - константа равная 3,14.

Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, рис.15, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго - положительный):

Рисунок 15

Емкостной сглаживающий фильтр.

 

Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Сглаживание пульсаций оценивают коэффициентом сглаживания. В зависимости от типа фильтрующего элемента различают емкостные и индуктивные фильтры.   Емкостной фильтр целесообразно применять при небольших мощностях нагрузки, он представляет собой конденсатор большой емкости, который включается параллельно нагрузочному резистору Rн. Конденсатор обладает большим сопротивление постоянному току и малым сопротивлением переменному току. Рассмотрим работу фильтра на примере схемы однополупериодного выпрямителя (рис. 16, а). Рисунок 16   Во время положительной полуволны напряжения, в промежутке t0 – t1 (рис. 16, б), через диод протекают ток нагрузки и ток заряда конденсатора. Конденсатор заряжается и в момент времени t1 напряжение на конденсаторе превышает спадающее напряжение вторичной обмотки – диод закрывается, и во временной промежуток t1 – t2 ток в нагрузке обеспечивается разрядом конденсатора. Разряд происходит по экспоненциальному закону.

Максимальное напряжение на закрытом диоде будет определяться по второму закону Кирхгофа:

U_{обр max} = Uc + U_{2 max}

 

причем конденсатор заряжается до значения U_{2 max,} значит:

для однополупериодного выпрямителя:

U_{обр max} = 2∙ U_{2 max} = 2√2 U₂ ,

где U₂ – действующее значении напряжения.

 

C изменением емкости конденсатора С_ф будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе I_н. Разряд конденсатора С_ф определяется постоянной времени разряда

                                                   τ _разр = С_ф∙ R_н

 

При постоянной времени τ _разр >>5∙Т, разряд конденсатора через сопротивление R_н  идет практически по линейному закону. Поэтому приближенно можно заменить экспоненту ее касательной (рис. 17)

Рисунок 17

 

 

Коэффициент пульсаций рассчитывается тогда по формулам:

для однополупериодной схемы:

 ,

 

а для двухполупериодной схемы:

 

где: f_c – частота сетевого напряжения.

 

Для выбора конденсатора необходимо рассчитать его емкость и рабочее напряжение. Емкость фильтра, в случае малых пульсаций, определяется по формуле:

для однополупериодного выпрямителя

                                          

 

для двухполупериодного выпрямителя

                                          

 

Рабочее напряжение конденсатора рассчитывается с 30% запасом и равно:

 

U_раб ≥ 1,3∙ U_{обр max}  =  2,6 U_2max

 

Стабилизаторы напряжения

 

Стабилизаторы предназначены для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке при колебаниях сетевого напряжения и изменении потребляемого нагрузкой тока.

Стабилизаторы подразделяются на параметрические и компенсационные. Стабильность выходного напряжения оценивают коэффициентом стабилизации Кст.