Двухполупериодный выпрямитель.

Классификация выпрямителей.

 

По назначению:

Выпрямители – преобразуют синусоидальное напряжение в постоянный ток.

Детекторы – выделяют из смеси переменных напряжений (модулированный сигнал - несущая и модулирующий сигнал) модулирующее напряжение. По сути это выпрямитель, но выделяется переменное напряжение низкой частоты.

 

По виду переменного тока подаваемому на вход выпрямителя:

- однофазные – на вход выпрямителя подаётся однофазное напряжение;

- трёхфазные – на вход выпрямителя подаётся трёхфазное напряжение;

- многофазные – на вход выпрямителя подаётся многофазное напряжение (больше 3 фаз – 6, 12 и т.д.).

 

По количеству используемых полупериодов переменного напряжения:

- однополупериодные;

- двухполупериодные, мостовые и с удвоением напряжения.

 

Однофазные схемы выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 1.

Схема.

Схема состоит из сетевого разъёма (вилки) XP1, тумблера включения сети SA1, предохранителя F1, трансформатора TV1, выпрямительного диода VD1, нагрузочного резистора R_н. При рассмотрении схем выпрямителей элементы XP1, SA1, F1 на их работу никакого влияния не оказывают, поэтому в дальнейшем упоминаться не будут.

Работа выпрямителя.

Предположим, что на выводе 1 вторичной обмотки трансформатора находится «+» (положительный полупериод), а на выводе 2 «-». Получается, что к аноду диода VD1 приложен «+», а катоду - «-», следовательно, диод VD1 открыт. В этом случае ток пойдет, так как показано на рис.1, то есть от «+» к «-». Образуется следующая цепь: вывод 1 вторичной обмотки TV1 - VD1- R_н - вывод 2 вторичной обмотки TV1. Через резистор нагрузки R_н ток проходит сверху вниз, следовательно, на верхнем выводе резистора будет «+», а на нижнем «-». При отрицательном полупериоде полярность на выводах обмотки трансформатора сменится на противоположную. Образуется следующая цепь: вывод 2 вторичной обмотки TV1 - R_н - VD1 - вывод 1 вторичной обмотки TV1. В этом случае диод будет закрыт VD1 и ток через резистор R_н не пойдёт, так как R_{обр д}»R_н.

 

Рис. 1 Однополупериодный выпрямитель.

 

На осциллограммах (см. рис.1) видно, что ток в нагрузке проходит только половину периода входного напряжения. Маленький ток, проходящий в нагрузке за время второго полупериода это обратный ток диода, а он очень маленький по сравнению с прямым током. На осциллографе этого тока не видно, а на рисунке он увеличен для наглядности. То есть через нагрузку протекает пульсирующий ток, и он может быть описан рядом Фурье.

Параметры выпрямителя.

К параметрам выпрямителя относятся:

- U₀ – выпрямленное напряжение;

- I₀ – выпрямленный ток;

- U₂ – напряжение на вторичной обмотке трансформатора, входное напряжение;

- I₂ – ток на вторичной обмотке трансформатора, входной ток;

- U_обр – обратное напряжение на диоде;

- I_прд – прямой ток диода;

- K_п – коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения;

- f_п – частота пульсаций.

Постоянная составляющая тока I₀ проходящего через резистор нагрузке определяется средним током:

I₀ = = , учитывая, что i₂=I_2m·sinωt,

то I₀ = = = .

Так как ω·T=2·π, то I₀=2·I_2m/2·π=0,318·I_2m.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения определяется по закону Ома. U₀=I₀·R_н=0,318·I_2m·R_н=0,318·U_2m.

Найдём соотношение между действующим значением напряжения U₂ на вторичной обмотке трансформатора и U₀. Так как, U_2m=√2·U₂, то U₀=0,318·U_2m=0,318·√2·U₂=0,45·U₂; U₂=2,22·U₀

Во время отрицательного полупериода всё напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к диоду

U_обр= U_2m= U₀/0,318=3,14·U₀.

Среднее значение I_{пр д} не должно быть ниже I₀.

Так как при однополупериодном выпрямлении I₀=0,636·I₂ , то есть постоянная составляющая меньше тока во вторичной обмотке.

Габаритная мощность трансформатора P_тр =3,09·P₀

Одним из важных параметров выпрямителя является K_п – коэффициент пульсаций:

K_п= U_1m /U₀= U_2m/2·U₀= π·U₀/2·U₀= π/2=1,57.

Частота пульсаций равна частоте первой гармонике ряда Фурье, а, следовательно, частоте сети, то есть f_п=mf_с, где: m - номер первой гармоники в выпрямленном напряжении. Для нашего случая m=1. Для частоты сети 50 Гц f_п= 50 Гц.

Достоинства:

Схема самая простая (один диод) и дешёвая.

Недостатки:

- большая величина пульсаций (сложный сглаживающий фильтр);

- частота пульсаций равна частоте сети (сложный сглаживающий фильтр);

- существует подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током (ток по вторичной обмотке отбирается полпериода), следовательно, нужен трансформатор больших габаритов и веса.

 

 

Двухполупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.

Рис. 3 Двухполупериодный выпрямитель.

 

Схема.

Схема выпрямителя имеет два диода VD5 и VD6. Особенность двухполупериодного выпрямителя является вторичная обмотка трансформатора со средним выводом, то есть в отличие от предыдущей схемы две одинаковые вторичные обмотки соединены согласно последовательно. Эту схему предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф.

 

Работа выпрямителя.

Предположим, что на выводе 1 вторичной обмотки трансформатора находится «+» (положительный полупериод), а на выводе 2 «-» и в тоже время по отношению к выводу 3 на выводе 2 будет «+», а на выводе 3 - «-». Получается, что к аноду диода VD5 приложен «+», а аноду VD6 приложен «-», следовательно, диод VD5 открыт, диод VD6 закрыт. В этом случае ток пойдет, так как показано на рис.3, то есть от «+» к «-» - выводу от средней точки вторичной обмотки. По резистору нагрузки ток проходит сверху вниз, следовательно, на верхнем выводе резистора будет «+», а на нижнем «-». При смене полярности (отрицательный полупериод) открытым окажется диод VD6, а диод VD5 закрытым, но ток через нагрузку пойдёт в том же направлении.

 

Рис. 4. Осциллограммы работы двухполупериодного выпрямителя.

 

На осциллограммах видно, что ток в нагрузке проходит обе половины периода входного напряжения. То есть через нагрузку протекает пульсирующий ток, и он может быть описан рядом Фурье. Но в этом случае в ряду будут отсутствовать нечётные гармоники.

Если внимательно посмотреть то в этой схеме работают две однополупериодные схемы, выпрямляются оба периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Поэтому:

U₀=2·U_{0однополупер.}=2·0,45·U₂=0,9·U₂.

U_{обр mах} осталось таким же как и в однополупериодной схеме U_{обр mах}=π·U₀.

Согласно закона Ома I₀=U₀/R₀=U₂/(1,11·R₀)=1,11·I₂.

Среднее значение тока, прохо­дящего через один диод, будет в 2 раза меньше тока в нагрузке I_{пр д}=0,5·I₀.

Соотношение между средним значением выпрям­ленного тока I₀ и действующим значением переменного тока вторичной обмотки трансформатора I₂ следующее:

I₂ = 0,785·I₀; I_{пр д}=3,14·I₀.

Действующее значение напряжения на вторичной обмотке транс­форматора

U₂=1,11·U₀.

Габаритная мощность трансформатора P_тр =1,48·P₀

Для данной схемы выпрямления коэффициент пульсации К_п =0,67. В двухполупериодной схеме выпрямления по сравнению с од­нополупериодной лучше используются возможности трансформа­тора, меньше коэффициент пульсации, а значение среднего тока на диоде в 2 раза меньше, чем на нагрузке, поэтому можно исполь­зовать менее мощные диоды.

Для данной схемы выпрямления K_п=U_2m/U₀= 0,67. Частота пульсаций равна частоте второй гармоники ряда Фурье, а следовательно частоте сети, то есть f_п=m·f_с. Так как в данной схеме выпрямляются оба полупериода (она чётная), то первой гармоникой будет вторая гармоника, нечётных гармоник просто не будет. Следовательно m=2. Для частоты сети 50 Гц f_п= 100 Гц.

Достоинства:

- схема не очень сложная всего два диода;

- трансформатор меньше по габаритам нет подмагничивания постоянным током;

- частота пульсаций равна удвоенной частоте сети (проще сглаживающий фильтр)

Недостатки:

- сложнее (два диода);

- габариты трансформатора уменьшились не на много (двойная вторичная обмотка).

 

 

Мостовой выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 5.

Рис. 5 Мостовой выпрямитель.

 

Схема.

Схема мостового выпрямителя (схема Гретца) имеет четыре диода VD1÷VD4. Вторичная обмотка трансформатора простая (без отводов).

 

Работа выпрямителя.

Предположим, что на выводе 1 вторичной обмотки трансформатора находится «+» (положительный полупериод), а на выводе 2 «-». Диоды VD1, VD3 будут открыты, диоды VD2, VD4 закрыты. Создаётся следующая цепь вывод 1 TV1-VD1 - R_н - VD3 - вывод 2 TV1. В этом случае ток пойдет, так как показано на рис.1, то есть от «+» к «-». При отрицательном полупериоде полярность на выводах обмотки трансформатора сменится на противоположную. Тогда диоды VD2, VD4 будут открыты, диоды VD1, VD3 закрыты и вновь пройдёт через резистор R_н сверху вниз. То есть в этой схеме также выпрямляются оба полупериода. В отличие от предыдущей схемы в каждый полупериод включаются по два диода включенные последовательно. Это упрощает их подбор.

Осциллограммы показаны на рис.4. Если внимательно посмотреть, то в этой схеме работают две однополупериодные схемы последовательно, но в каждой схеме включены по два диода последовательно.

 

Параметры:

U₀ = 2·U_{0однополупер.} =2·0,45·U₂ =0,9·U₂, то есть U₂= 1,11·U₀; U_{обр mах} уменьшилось в двое по сравнению с однополупериодной схемой U_{обр mах}=π·U₀/2=1,57·U₀; согласно закона Ома I₀=U₀/R₀ =U₂/(1,11·R₀)=0,9·I₂, I₂=1,11·I₀.

Среднее значение тока, прохо­дящего через один диод, будет в 2 раза меньше тока в нагрузке I_{пр д}=0,5·I₀.

Габаритная мощность трансформатора P_тр=1,23·P₀

Для данной схемы выпрямления коэффициент пульсации К_п =0,67. В двухполупериодной схеме выпрямления по сравнению с од­нополупериодной лучше используются возможности трансформа­тора, меньше коэффициент пульсации, а значение среднего тока и обратного напряжения на диоде в 2 раза меньше, чем на нагрузке, поэтому можно исполь­зовать менее мощные диоды.

Для данной схемы выпрямления K_п= 0,67. Частота пульсаций равна частоте второй гармоники ряда Фурье, а следовательно частоте сети, то есть f_п= m·f_с. Так как в данной схеме также выпрямляются оба полупериода (она чётная), следовательно, m=2. Для частоты сети 50 Гц f_п= 100 Гц.

Достоинства:

- трансформатор меньше по габаритам нет подмагничивания постоянным током и лучше используется обмотка;

- частота пульсаций равна удвоенной частоте сети (проще сглаживающий фильтр)

Недостатки:

- схема сложная четыре диода.