Однофазный однополупериодный выпрямитель

Тема №10 Электронные выпрямители.

· 10.1. Общие сведения.

· 10.2. Структура выпрямителя.

· 10.3. Классификация.

· 10.4. Основные параметры выпрямителей.

· 10.5. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

· 10.6. Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

· 10.7. Однофазный мостовой выпрямитель.

· 10.8. Трёхфазный выпрямитель с нулевой точкой.

· 10.9. Трёхфазный мостовой выпрямитель.

· 10.10. Управляемые выпрямители.

· 10.11. Выпрямитель с умножением напряжения.

· 10.12. Влияние характера нагрузки на работу выпрямителя.

· 10.13. Сглаживающие фильтры.

· 10.13.1. Общие сведения.

· 10.13.2. Пассивные фильтры.

· 10.13.3. Активные фильтры.

· 10.14. Стабилизаторы.

Общие сведения.

Для большинства современных электронных устройств необходима энергия постоянного тока. Для преобразования переменного тока в постоянный применяют выпрямители, в которых используют приборы с вентильными свойствами, т.е. односторонней проводимостью. Для построения схем выпрямления можно использовать электровакуум­ные, ионные магнитные и полупроводниковые приборы. В настоящее время наибольшее распространение получили выпрямители на полу­проводниковых приборах, поскольку полупроводниковые выпрямите­ли просты, обладают высоким КПД, имеют длительный срок службы.

Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный или пульсирующий.

Структура выпрямителя.

Структурная схема представлена на рис. 5.1.

1 - силовой трансформатор предназначен для согласования входного (сетевого) и выходного (выпрямленного) напряжений выпрямителя. Трансформатор электрически отделяет питающую сеть от сети нагрузки;

Рис. 5.1. Структурная схема выпрямителя.

2 - блок полупроводниковых элементов (вентилей) выполняет саму функцию выпрямления переменного тока;

3 - сглаживающий фильтр уменьшает пульсацию выпрямлен­ного тока в цепи нагрузки;

4 - нагрузка;

5 - блок системы защиты и сигнализации выпрямителя от по­вреждения в аварийных режимах;

6 - блок управления тиристорами (в управляемом выпрямителе).

В отдельных случаях могут отсутствовать некоторые звенья при­ведённой блок-схемы. Например, включение выпрямителя в сеть без трансформатора или работа выпрямителя на нагрузку осуще­ствляется без фильтра и без регулирования напряжения.

Классификация.

Выпрямители классифицируются по следующим признакам:

- по количеству фаз (однофазные и трёхфазные);

- по виду выпрямительных элементов (вакуумные, полупровод­никовые, - магнитные и т. д.);

- неуправляемые и управляемые;

- по способу включения выпрямительных элементов (мостовые и с нулевой точкой);

- по виду нагрузки (она может быть активной, активно-ёмкост­ной, активно-индуктивной).

 

10.4. Основные параметры выпрямителей.

Выпрямитель совместно с трансформатором работает на различ­ную нагрузку — активную, активно-индуктивную и активно-ёмкост­ную. Характер нагрузки определяет форму выпрямленного напря­жения на ней и соотношение выпрямленных и переменных напряже­ний и токов. С целью упрощения изучения принципов работы схем выпрямления можно рассматривать работу выпрямителя на актив­ную нагрузку, с идеальными вентилями и трансформаторами.

Идеальный вентиль — это вентиль, сопротивление которого в прямом (проводящем) направлении равно нулю, а сопротивление в обратном (непроводящем) направлении бесконечно велико.

Идеальный трансформатор — это трансформатор, в котором от­сутствуют потери в меди обмоток и в стали сердечника, а также отсутствуют поля рассеяния обмоток и, следовательно, индуктив­ности, созданные этими полями.

Основные параметры выпрямителя:

- выпрямленные напряжение U_d и ток I_d в нагрузке, определя­емые требованиями потребителя;

- действующие значения токов I₁, I₂ и напряжений U₁, U₂ пер­вичной и вторичной обмоток трансформатора;

- типовая мощность трансформатора Р_Т;

- максимальное обратное напряжение на диоде U_{обр max}

- средний I _а и максимальные I _{а mах} анодные тока диода.

 

Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой (рис. 5.2) — простейшая схема выпрямления — состоит из силово­го трансформатора Т, диода VD и нагрузки R_d. Первичная обмот­ка трансформатора присоединяется к сети переменного тока с на­пряжением u₁; ко вторичной обмотке с напряжением u₂ последова­тельно подключены диод и нагрузка. При синусоидальном напряжении u₁ питающей сети напряжение на концах вторичной обмотки также синусоидально. Кривые напряжения u₁, и u₂ по­казаны на рисунке (рис. 5.3). При положительной полуволне на­пряжение на вторичной обмотке трансформатора («+» на аноде вентиля, «-» на нагрузке) через нагрузку будет протекать ток. При обратной полярности на­пряжения вторичной обмотки трансформатора («-» на аноде вентиля) вентиль будет обладать

очень большим сопротивлением и ток в нагрузке будет близок к нулю. Таким образом, через на­грузку протекает пульсирующий ток. Такой же пульсирующий ха­рактер в виде полуволн синусоид вторичной обмотки трансформа­тора имеет напряжение на нагруз­ке. Поэтому мгновенное значение выпрямленного напряжения равно мгновенному значению напряже­ния вторичной обмотки трансфор­матора, т.е.

u_d=i_d×R_d=u_i (5.1)

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (его постоянная составляющая U_d) определяется соотношением:

U_d=0,45U₂ (5.2)

Действующее значение напряжения вторичной обмотки транс­форматора U₂в 2,22 раза превышает выпрямленное напряжение на нагрузке.

Напряжение первичной обмотки трансформатора

U_l=K_T×U₁=2,22K_T×U_d (5.3)

где К_T— коэффициент трансформации трансформатора.

В непроводящий отрезок времени напряжение на нагрузке рав­но нулю и всё напряжение вторичной обмотки трансформатора оказывается приложенным между анодом и катодом диода. Это напряжение имеет обратную полярность, так как анод вентиля ста­новится отрицательным относительно катода и обозначается U_обр.

Максимальное значение обратного напряжения между анодом и катодом вентиля (см. рис. 5.3) равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора:

U_{обр max}=√2U₂ или U_{обр max}=πU_d (5.4.)

Из формулы видно, что максимальное обратное напряжение на диоде в к раз больше выпрямленного напряжения на нагрузке. Так как в однополупериодной схеме трансформатор, диод и нагрузка включены последовательно, то мгновенные значения токов вторичной обмотки трансформатора анодного тока вентиля i _а и вып­рямленного i_d равны между собой.

Среднее значение (постоянная составляющая) пульсирующего тока

I_d=U_d/R_d. (5.5)

Эта формула справедлива для всех схем выпрямления. Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

I_а =1,57 I_d (5.6)

Расчётная мощность силового трансформатора однополупери- одного выпрямителя

S_T=3,lP_d. (5.7)

где Р_d— мощность нагрузки (Р_d= U_d × I_d).

Для данной схемы выпрямления коэффициент пульсации К_п = 1,57.

Большой коэффициент пульсации, большие размеры трансфор­матора вследствие плохого использования его обмоток, большое напряжение на диоде резко ограничивают применение однополупериодной схемы выпрямления, несмотря на её простоту.

Рис. 5.2. Однополупериодная схема однофазного выпрямителя

Рис. 5.3. Кривые изменения тока и напряжения