Устройство и принцип функционирования схем выпрямителей

Принцип действия однофазного однополупериодного выпрямителя, схема которого показана на рисунке 1, состоит в том, что в положительный полупериод, когда на аноде диода VD положительный потенциал, он открывается (r_пр.VD→0), всё напряжение вторичной обмотки трансформатора u₂ прикладывается к нагрузке R_н. В отрицательный полупериод диод VD закрыт (r_обр.VD→∞), ток через него равен нулю, а всё напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к диоду.

Рисунок 1 - Схема однофазного однополупериодного выпрямителя

Форма напряжения вторичной обмотки трансформатора представляет синусоидальное напряжение u₂ = U_m2sinω t, а ток и напряжение в нагрузке имеет форму импульсов в виде полусинусоиды (например u_н на рисунке 3 в главе Назначение, структура, классификация и основные параметры выпрямителей).

Для простоты анализа и лучшего понимания физических процессов в схемах выпрямителей в дальнейшем будем считать, что потери в трансформаторе отсутствуют, а все выпрямительные элементы идеальные (т.е. r_пр.VD→0 и r_обр.VD→∞), а нагрузка активная.

Определим основные параметры данного выпрямителя.

Среднее значение постоянных составляющих выпрямленного (постоянного) тока и напряжения определяем по методике, рассмотренной в главе Назначение, структура, классификация и основные параметры выпрямителей:

Действующее значение выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямителя:

Действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора:

Определим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения К_п как отношение амплитуды первой гармоники U_m1 на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения U_0ср. Для рассматриваемой схемы выпрямителя значение U_m1 получаем путем разложения полусинусоиды в ряд Фурье: U_m1 = U_m/2. После подстановки в формулу получаем: К_п=0,5U_m÷0,318U_m=1,57

Число пульсаций за период выпрямленного напряжения p = 1 (m = 1), а частота пульсаций f_n=f_с.

Коэффициент использования трансформатора в данной схеме К_uт=0,324.

Обратное напряжение, прикладываемое к диоду U_обр=U_m=π

Достоинства схемы:

• простота конструкции;
• малые габариты;
• высокая надежность;
• низкая стоимость.

Недостатки схемы:

• большая величина пульсаций выпрямленного напряжения;
• низкий коэффициент использования трансформатора из-за постоянного подмагничивания сердечника трансформатора.

Вариант применения однофазного однополупериодного выпрямителя показан на рисунке 2.

Рисунок 2 - Фрагмент схемы электрической принципиальной блока вторичного электропитания с однополупериодным выпрямителем

Указанные достоинства и недостатки однополупериодных выпрямителей позволяют применять их лишь в маломощных выпрямительных устройствах (с выходной мощностью до 15 Вт), где использование трансформатора оправдывается экономией, полученной от применения в схеме всего одного выпрямительного элемента.

В схеме двухполупериодного выпрямителя со средней точкой (рисунок 3) два выпрямительных элемента (вентиля) VD1 и VD2, подключены к средней точке вторичной обмотки трансформатора Т.

Рисунок 3 - Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Между общей точкой катодов диодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора включена нагрузка R_н. Синусоидальные напряжения u′₂ и u″₂ вторичной обмотки трансформатора всегда равны по значению, но сдвинуты одно относительно другого по фазе на 180°.

Эпюры напряжения и тока, поясняющие принцип работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, показаны на рисунке 4.

Рисунок 4 - Эпюры напряжения и тока на входе и выходе однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

В первый полупериод i_н протекает через диод VD1 и нагрузку R_н к средней точке трасформатора. В это время диод VD2 закрыт и находится под обратным напряжением.

Во второй полупериод ток i_н протекает через диод VD2 и сопротивление нагрузки R_н, а к диоду VD1 в это время подводится обратное напряжение и он находится в закрытом состоянии.

Таким образом, по сопротивлению нагрузки R_н за оба полупериода переменного напряжения проходит ток в одном и том же направлении (i_н на рисунке 4). При этом общая точка катодов диодов является для нагрузки положительным полюсом, а средняя точка трансформатора – отрицательным полюсом.

Основные параметры выпрямителя:

1. Среднее значение постоянных составляющих выпрямленного (постоянного) тока и напряжения (U_0ср, I_0ср на рисунке 4) будет определяться согласно выражениям:

2. Действующее значение выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямителя:

3. Действующее напряжение на одной половине вторичной обмотке трансформатора U′₂ и действующее значение напряжения на всей вторичной обмотке трансформатора U₂

4. Число пульсаций за период выпрямленного напряжения p=2 (m=2), а частота пульсаций f_п=2f_с.
5. Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения, который можно определить по формуле:

6. Коэффициент использования трансформатора K_uт=0,667
7. Обратное напряжение, прикладываемое к диоду U_обр=2U′_m=πU_0ср.

Достоинства схемы:

• более низкая величина пульсаций выпрямленного напряжения по сравнению с однополупериодной схемой;
• повышенная частота пульсаций;
• размеры и масса трансформатора значительно уменьшаются благодаря лучшему его использованию;
• возможность использования вентилей с общим катодом (анодом).

Недостатки схемы:

• высокое обратное напряжение на выпрямительных элементах (вентилях);
• усложнённая конструкция трансформатора (требуется трансформатор со средней точкой);
• каждый полупериод ток протекает только через одну вторичную обмотку трансформатора.

Эта схема широко применяется в устройствах малой мощности (до 200 Вт), при работе, в основном, на нагрузку емкостного или индуктивного характера.