Двухполупериодные выпрямители

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше "провалов" напряжения - тех самых пульсаций.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нуле­вым выводом приведена на рис 4, а. Трансформатор выпрямителя имеет две вторичные обмотки ω_2a и ω _2b с одинаковым числом витков. Конец обмотки ω _2a соединен с началом обмотки ω_2b, и общая точка вторичных обмоток называется нулевым выво­дом. Нагрузка выпрямителя подключена между нулевым выво­дом вторичных обмоток трансформатора и катодами диодов V₁ и V₂, соединенных между собой.

На первичную обмотку трансформатора подается синусоидаль­ное напряжение u₁.Напряжение u_2a измеряемое между началом обмотки ω _2a и нулевым выводом, и напряжение u_2b, измеряемое между концом обмотки ω _2b и нулевым выводом, имеют равную амплитуду и изменяются в противофазе (рис. 4.4, в).

В пределах 0 < ω t < π, 2 π < ω t < З π и т. д. напряжение u_2a > 0, а u_2b < 0 (полярность напряжений u_2a и u_2b в нечетные полупериоды изменения напряжений u_2a и u_2b показана на рис. 4.4, а знаками «плюс» и «минус» без скобок). Напряжение на аноде диода V₁ положительно, и V₁ открыт, напряжение на аноде диода V₂ отрицательно, и V₂ закрыт. Ток будет проходить по контуру ω _2a — V₁ — R_н. Напряжение и ток нагрузки равны со­ответственно (рис. 4.4, г, д)

В четные полупериоды, при π < ω t < 2 π, З π < ω t < 4 π и т. д., u_2a < 0, u_2b > 0 (полярность напряжений u_2a и u_2b в четные по­лупериоды показана на рис. 9.4, а в скобках). Диод Vi будет за­крыт, a V₂ открыт. Ток проходит по контуру ω _2b — V₂ — R_н.. Напря­жение и ток нагрузки равны соответственно

Независимо от знака входного напряжения u₁ напряжение и на нагрузке одного знака, т. е. выпрямленное. Форма напряжения и тока нагрузки в схеме выпрямителя с нулевым выводом полу­чается точно такой же, как и при использовании мостовой схемы. Поэтому среднее значение выпрямленного напряжения U_ср, ам­плитуда основной гармоники U_оснm, коэффициент пульсаций К_п выпрямленного напряжения и среднее значение выпрямленного тока I_ср для схемы с нулевым выводом определяются так же, как и для мостовой схемы (4.2) — (4.5).

В выпрямителе с нулевым выводом, так же как и в мостовом, ток через диоды протекает поочередно, поэтому

Максимальное обратное напряжение на диодах U_{обр max} можно определить из уравнения, составленного для контура ω _2a — V₁ — V₂ — ω _2b:

В нечетные полупериоды диод V₁ открыт, и u_v1 = 0, u_2b = - u_2a потому u_v2 = — 2и_а. В нечетные полупериоды u_2а > 0, и к диоду v₂> приложено обратное напряжение, максимальная величина кото­рого

(4.8)

Такое же напряжение U_{обр max} будет приложено к диоду V₁ в чет­ные полупериоды.

Полная мощность трансформатора для выпрямителя с пулевым выводом равна

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов - общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Мостовая схема Гретца

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

Рис. 3. Однофазный неуправляе­мый мостовой выпрямитель (а) и временные диаграммы токов и на­пряжений в схеме выпрямителя при активной нагрузке (б — ж).

Нарис, 3 а изображена схема однофазного неуправляемого мостового выпря­мителя с активной нагрузкой R_н На вход выпрямителя — первич­ную обмотку трансформатора — подано переменное напряжение U_i = U_m1 sin wt. К выходу выпрямителя подключена нагрузка — ре­зистор R_Н, напряжение на котором должно быть постоянным.

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора u₂, так же как u₁, изменяется по синусоидальному закону:

где К —коэффициент трансформации трансформатора.

В пределах 0 < wt < π, 2 π < wt < З π и т. д. при положитель­ном напряжении и₂ (полярность и₂ > 0 показана на рис. 3, а знаками «плюс» и «минус» без скобок) к диодам V₁ и V₃ прило­жено прямое напряжение, и они открыты, к диодам V₂ и V₄ при­ложено обратное напряжение, и они закрыты. Ток проходит по контуру w₂ — V₁ — а — R_н — b — Vз. Так как было сделано допуще­ние, что трансформатор и диоды идеальные, значит, электрическое сопротивление обмоток трансформатора и открытых диодов равно нулю, то

где и и i— напряжение и ток нагрузки R_н выпрямителя (рис. 3, г, д).

В пределах π < ωt < 2π, Зπ < ωt < 4π и т. д. и₂ < 0 (поляр­ность u₂ < 0 показана на рис. 9,3, а в скобках), прямое напряжение приложено к диодам V₂ и V₄ а обратное — к диодам V₁ и V₃, и ток будет протекать по контуру ω ₂—V₂ — а — R_н — b—V₄..

В выделенном контуре:

Ток i через нагрузку и при и₂ > 0, и при u₂ < 0 протекает в одном и том же направлении — от клеммы а к клемме Ь. Зна­чит, выпрямитель преобразует переменное напряжение U_T, подан­ное на вход, в напряжение U на выходе только одного знака.

Выпрямленное напряжение U называется постоянным, но, строго говоря, оно постоянно только по направлению, по величине U изменяется — пульсирует. Закон изменения напряжения на на­грузке

(1)

Выпрямленное напряжение, изменяющееся с периодом π, мо­жно разложить в ряд Фурье. Первый член разложения в ряд Фурье — постоянная составляющая — называется средним значе­нием выпрямленного напряжения:

(2)

Основная гармоника U изменяется с частотой ω_о.г = 2ω, и ее амплитуда в соответствии с правилами разложения функции вряд Фурье равна

(3)

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

(4)

Ток i через активную нагрузку совпадает по форме с напря­жением U. Среднее значение тока

(5)

Ток нагрузки протекает через диоды V₁, V₃ (рис. 3, e) и V ₂, V ₄ поочередно, поэтому среднее значение тока через диоды равно

(6)

Максимальное обратное напряжение на диодах U_{обр max}, по ве­личине которого и по Iv_Ср выбирается тип диодов для выпрями­теля, можно определить из контуров ω ₂ — V₁ — V₂ и ω ₂ — V₄ — V₃. В первом контуре при u₂ > 0 диод V₁ открыт и напряжение на V₁ равно нулю, а диод V₂ закрыт. К диоду V₂ приложено обратное напряжение U₂, максимальное значение которого равно U_m2. (рис. 3, ж ). При u₂ < 0 открыт диод V₂ a V₁ —закрыт, и мак­симальное обратное напряжение на V₁ также равно U_m2. Такой же результат для V₄ и V₃ получим из контура ω ₂ — V₄ — V₃. Значит.

(7)

Трансформатор для выпрямителя выбирается по заданному дей­ствующему значению напряжения сети U₁, действующему значе­нию напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора, которое определяется по необходимой для нагрузки величине U_ср, и по полной мощности трансформатора, равной

где I₁ и I₂ — действующие значения токов в первичной и вторичной обмотках.

Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop - VF). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 - 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Сравнение схем однофазных выпрямителей показывает, что для мостового выпрямителя необходимо в два раза большее количе­ство диодов, чем для выпрямителя с нулевым выводом. Но транс­форматор в мостовом выпрямителе более простой — с одной вто­ричной обмоткой и меньшей расчетной мощности. Кроме того, для мостового выпрямителя нужны диоды с напряжением U_обрmax, вдвое меньшим, чем для выпрямителя с нулевым выводом. Преиму­щества мостового выпрямителя более существенны, поэтому одно­фазные выпрямители чаще выполняют по мостовой схеме.