1.3. Параметры выпрямителей

В настоящей работе в качестве входного напряжения выпрямителей для определённости будем брать синусоидальным:

. (3)

Общая схема подключения в ыпрямителя к генератору синусоидального напряжения (ко вторичной обмотке трансформатора) и к нагрузке показана на рис. 5. Амплитуду U₁ входного напряжения выпрямителя будем полагать фиксированной, т.е. не зависящей от сопротивления нагрузки, а саму нагрузку R – активной.

Выходное напряжение выпрямителя и₂(t) является однополярным и пульсирующим (рис. 6) с периодом пульсаций Т_п. равным периоду входного синусоидального напряжения (3), или же Т/2, в зависимости от схемы выпрямителя. Пульсирующее выпрямленное напряжение и₂(t) характеризуется средним значением

(4)

и коэффициентом пульсаций

К_п= (5)

где U_п= − размах напряжения пульсаций (рис. 6). Как U, так и U_п зависят от конкретной схемы выпрямителя и от величины нагрузки R.

Наличие пульсаций выпрямленного напряжения ухудшает работу потребителя. Для того. чтобы пульсации были поменьше, в выпрямителях применяют сглаживающие фильтры.

П ри фиксированной амплитуде U₁ входного напряжения зависимость среднего выпрямленного напряжения U от среднего тока нагрузки I называется нагрузочной характеристикой выпрямителя. Её общий вид показан на рис. 7. На ней U^х.х. – среднее выходное напряжение холостого хода выпрямителя, когда сопротивление нагрузки R→∞. Отношение

определяет выходное сопротивление выпрямителя; при нелинейной нагрузочной характеристике оно зависит от тока нагрузки I. Чем меньше r, тем лучше выпрямитель. У хорошего выпрямителя (со стабилизацией выходного напряжения) U≈const в довольно широком диапазоне токов I (у стабилизированного выпрямителя практически отсутствуют и пульсации). Максимальный ток I, при котором U=const с заданной точностью, является одним из важных параметров стабилизированного выпрямителя. В правильно рассчитанном выпрямителе ток I должен быть близок к предельно допустимому прямому току I_пр используемых диодов.

1.4. Схемы простейших выпрямителей

Разберём поочерёдно работу трёх выпрямительных схем: 1) однополупериодной, 2) мостовой, 3) мостовой со сглаживанием.

1.4.1. Однополупериодный выпрямитель

С хема однополупериодного выпрямителя, работающего на активную нагрузку R, показана на рис. 8. Генератором входного напряжения и₁(t) на выпрямитель является вторичная обмотка трансформатора. и₂(t) – это выходное напряжение выпрямителя, оно же − напряжение на нагрузке, i – единый ток через диод и нагрузку.

Е сли диод считать идеальным вентилем, т.е. идеально проводящим в прямом направлении и непроводящим в обратном, то через нагрузку будет проходить ток только одного полупериода синусоиды, а весь отрицательный полупериод диод заперт (рис. 9)^). По формуле (4) несложно подсчитать, что в этом случае среднее значение выходного напряжения и₂(t)

U= ,

а коэффициент пульсаций

К_п=

Частота пульсаций выпрямленного напря-жения и₂(t) равна частоте входного напряжения и₁(t).

Е сли, однако, взглянуть на рис. 3, то видно, что реальный диод и в прямом направлении начинает хорошо проводить лишь с некоторого напряжения. В аппроксимирующей характеристике на рис. 4 и в соответствующей формуле (2) оно обозначено U₀ и может достигать 1 В. Стало быть, если амплитуда входного напряжения U₁<U₀, то диод практически будет заперт в обоих направлениях. Это напряжение U₀ называется напряжением отсечки.

На рис. 10 показаны эпюры напряжений в реальном однополупериодном выпрямителе: верхний график – это входное напряжение выпрямителя и₁(t), нижний – выходное и₂(t), т.е. напряжение на нагрузке R (рис. 8), средний график – напряжение на диоде и_д(t). U₀ – напряжение отсечки, U_п – размах напряжения пульсаций.

Из графиков видно, что на интервале времени [t₁, t₂], где и₁>U₀, напряжение на диоде и_д=U₀, а на нагрузке и₂=и₁−U₀. Сред-нее выпрямленное напряжение U, определяемое формулой (4), в реальном выпрямителе будет меньше, чем в идеальном, где оно было равно U₁/π (впрочем, если U₁≫U₀, как это обычно и бывает, то это уменьшение практически незаметно).

Кроме того, на реальном диоде в процессе его работы будет выделяться тепло, поскольку при прямом токе I_пр>0 напряжение на нём равно уже не нулю, как на идеальном, а примерно U₀, так что рассеиваемая на диоде мощность Р≈0,5U₀I_пр. При больших токах I_пр≥5…10 А тепловыделение настолько велико, что диод приходится ставить на теплоотводящий радиатор, иначе он разогреется до недопустимо высокой температуры, скажем, выше 100°.

~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

Однополупериодный выпрямитель имеет существенный недостаток – он неэффективно использует генератор: генератор (вторичная обмотка трансформатора) работает на нагрузку лишь 50% времени. Это приводит к низкому значению среднего выходного напряжения U и слишком большим пульсациям (К_п>3), что совершенно неприемлемо. Пульсации, правда, можно уменьшить, введя сглаживающий фильтр. но главный недостаток – 50%-я холостая работа трансформатора – остаётся. В связи с этим, практическое применение получили двухполупериодные выпрямительные схемы, и наиболее распространённая среди них – мостовая.