Основные схемы выпрямления переменного тока

Одним из главных применений полупроводни­ковых диодов является выпрямление переменного тока, для которого существует много схем. Мы рас­смотрим основные схемы, ставшие классическими: однополупериодную, двухполупериодную и мостовую.

Однополупериодная схема

Эта схема изображена на рис. 10.9, где Т — транс­форматор; D — полупроводниковый диод; R – на­грузка.

 

Рис. 10. 9

 

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки (II) рис.10.9 по­дан положительный полупериод переменного тока, на диод D подается прямое напряжение, и он пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через на­грузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис. 10.10). Сопротивление R_d диода непостоянно: оно определяется крутизной вольтамперной характери­стики в каждой точке. Однако, при включении пос­ледовательно с диодом нагрузки R_H, сопротивление этой цепи становится равным R_d + R_H, и характери­стику можно считать линейной (динамическая ха­рактеристика).

Вычислим среднее за период значение тока, вып­рямленного однополупериодным выпрямителем. Пусть переменное напряжение, подлежащее выпрям­лению, равно:

                                               10. 1

 

Рис. 10. 10

 

Тогда выпрямленный ток, имеющий форму по­ловины синусоиды (рис. 10.10 равен:

                                          10. 2

(выражение (10.2) справедливо для каждой первой поло­вины периода).

Во время отрицательного полупериода, когда диод закрыт, он находится под напряжением вторичной обмотки трансформатора, поэтому наибольшее обрат­ное напряжение, действующее на диод, равно

                                           10. 3

Тогда среднее за период значение выпрямленно­го тока будет равно

                                           10. 4

Однополупериодная схема очень редко использу­ется в современных выпрямителях, поскольку вторич­ная обмотка трансформатора работает только полови­ну периода, и поэтому габаритная мощность транс­форматора должна превышать мощность выпрямлен­ного тока примерно в 3 раза. Кроме того, выпрямлен­ное напряжение имеет очень высокий коэффициент пульсаций, что затрудняет его сглаживание.

 

Двухполупериодная схема

На рис.10.11 изображена двухполупериодная схема, где Т – трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки, VD ₁ и VD ₂ – полупроводниковые диоды, a R – нагрузка.

Рис. 10. 11

Эту схему можно рассматривать как две самостоятельные однополупериодные схемы, имеющие общую нагрузку. В ней диоды VD ₁ и VD ₂ оказываются открытыми в разные половины периода переменного напряжения, и поэтому ток через нагрузку R протекает в обе половины периода, пульсируя с двойной частотой (рис. 10.12.).

Рис. 10. 12

 

Ток, протекающий через каждый диод равен

                                         10. 5

 

Выпрямляемое напряжение снимается с половины вторичной обмотки трансформатора

                                               10. 6

Двухполупериодная схема довольно часто используется на практике. Ее недостатками являются необходимость отвода от середины вторичной обмотки трансформатора и неполное использование вторичной обмотки трансформатора по напряжению. Эти недостатки устранены в мостовой схеме. Каждый диод здесь работает как в однополупериодной схеме. Токи диодов складываются, поэтому постоянные составляющие тока и напряжения равны среднему значению полусинусоидальных импульсов,

Мостовая схема

Мостовая схема выпрямления изображена на рис.10.13 и состоит из трансформатора (Тр) и четырех диодов VD ₁ – VD ₄. Диагональ АВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ CD – к нагрузке. Полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется каждую половину периода,

 

Рис. 10. 13

 

в результате чего при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (--) ток проходит в течение полупериода по пути

 , а в следующий полупериод по пути

Таким образом, выпрямленный ток идет через нагрузку R в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной. В мостовой схеме выпрямленный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой

значение выпрямленного тока равно:

                                                  10. 7

а выпрямленного напряжения:

                                      10. 8

Без нагрузки (1₀ =0) напряжение на зажимах выпрямителя будет равно:

                                                  10. 9

Особенностью мостовой схемы является отсутствие во вторичной обмотке трансформатора отвода от ее середины, поэтому для получения одного и того же значения выпрямленного напряжения (по сравнению со схемой с отводом от середины вторичной обмотки) в мостовой схеме требуется обмотка с вдвое меньшим числом витков. Вследствие этого обратное напряжение, действующее на каждый диод, в два раза меньше, чем в схеме с отводом от середины вторичной обмотки:

                                         10. 10

 

Действующее значение тока, протекающего через диод, равно:

                                            10. 11

Частота пульсаций и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в мостовой схеме такие же, как и в схеме с отводом от середины вторичной обмотки.