Полупроводниковый однополупериодный выпрямитель

В цепи с полупроводниковым диодом (рис. 8.3) установившийся ток может протекать только при определенной полярности приложенного к диоду напряжения. При изменении полярности напряжения диод запирается и ток прекращается. В цепи переменного (синусоидального) напряжения ток протекает только в течение той полуволны, когда диод открыт. Полуволна другой полярности подавляется. В результате в цепи имеет место ток одного направления. Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры. Простейшим фильтром является конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.

Однополупериодная схема

Эта схема изображена на Рис. 8.5., где Т — транс­форматор, D — полупроводниковый диод, a. R — на­грузка.

Рис. 8.5

Когда на верхнюю часть вторичной обмотки по­дан положительный полупериод переменного тока, на диод подается прямое напряжение, и он пропускает его, а когда отрицательный, то диод заперт. Через на­грузку протекает пульсирующий прерывистый ток (рис. 8.6). Сопротивление R_d диода непостоянно: оно определяется крутизной вольтамперной характери­стики в каждой точке. Однако, при включении пос­ледовательно с диодом нагрузки R_H, сопротивление этой цепи становится равным R_d+R_H, и характери­стику можно считать линейной (динамическая ха­рактеристика).

Вычислим среднее за период значение тока, вып­рямленного однополупериодным выпрямителем. Пусть переменное напряжение, подлежащее выпрям­лению, равно:

(8.1)

Рис. 8.6

Тогда выпрямленный ток, имеющий форму по­ловины синусоиды (рис. 8.8), равен:

(8.2)

(выражение (8.2) справедливо для каждой первой поло­вины периода).

Рис. 8.7

При исследовании выпрямителей применяются следующие обозначения:

• u_ВХ, U_ВХ — мгновенное и действующее значения синусоидального входного напряжения;

• u_d, U_d, U_dmax, U_dmin — мгновенное, среднее, максимальное, минимальное значения выходного (выпрямленного) напряжения;

• f_п — частота пульсаций выходного напряжения;

• m = f_пульс / f_вх — число пульсаций выпрямленного напряжения за один период напряжения питания;

• — коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения. В данной работе используется одна фаза трехфазного источника напряжений.

Полупроводниковый мостовой выпрямитель

Мостовая схема

Мостовая схема выпрямления изображена на рис и состоит из трансформатора Т и четырех диодов VD-VD4. Диагональ АВ моста подключена к вторичной обмотке трансформатора, а диагональ CD - к нагрузке. Полярность напряжения на вторичной обмотке изменяется каждую половину периода,

Рис. 8.8

в результате чего при более высоком потенциале точки А (+) по сравнению с потенциалом точки В (-) ток проходит в течение полупериода по пути

, а в следующий полупериод по пути

Таким образом, выпрямленный ток идет через нагрузку R в течение всего периода переменного тока, поэтому мостовая схема является двухполупериодной. В мостовой схеме выпрямленный ток и напряжение имеют такую же форму, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой

значение выпрямленного тока равно:

(8.3)

а выпрямленного напряжения:

(8.4)

Без нагрузки (1₀ =0) напряжение на зажимах выпрямителя будет равно:

(8.5)

Однополупериодный выпрямитель использует только одну полуволну переменного напряжения. Как следствие, постоянное напряжение низкое по величине и имеет значительные пульсации.

Этого недостатка удается избежать в случае мостового выпрямителя со схемой (рис. 8.9). Здесь полуволны противоположной полярности суммируются, и среднее значение выпрямленного напряжения увеличивается в два раза.

Рис. 8.9.

Трехфазные схемы выпрямления

Простейшая трехфазная схема выпрямления тока с нейтральной точкой изображена на рисунке 8.10, а. В ней схеме первичные обмотки трехфазного транс­форматора соединяются звездой или треугольником, а вторичные — звездой, причем в каждую вторичную обмотку включено по диоду. В этом случае в каждый момент, выпрямленный ток проходит только через тот диод, анод которого соединен с зажимом обмотки, име­ющим наибольший положительный потенциал по от­ношению к нейтральной точке трансформатора. По­этому выпрямленное напряжение будет изменяться по кривой, являющейся огибающей положительных по­луволн фазных напряжений вторичных обмоток транс­форматора (рис. 8.10, б). Переключение диодов проис­ходит в моменты, соответствующие пересечению поло­жительных полусинусоид напряжения. В нагрузке R _н токи, походящие через три диода, суммируются.

Рис. 8.10 а) б)

Существенным недостатком этой схемы являет­ся то, что проходящие только через вторичные обмот­ки токи одного направления (выпрямленный ток) со­здают во взаимно связанных стержнях трехфазного трансформатора дополнительный постоянный маг­нитный поток. Чтобы не допустить насыщения маг­нитной системы за счет этого дополнительного пото­ка, приходится увеличивать сечение стержней и га­бариты трансформатора. Трехфазную схему выпрям­ления с нейтральной точкой применяют только в ма­ломощных силовых установках.

Мостовая трехфазная схема выпрямления пере­менного тока изображена на рисунке 8.11. В ней со­четаются принципы мостовой схемы и схемы много­фазного выпрямления. В этой схеме нулевая точка трансформатора для выпрямления не нужна и поэто­му первичные и вторичные обмотки могут быть со­единены как звездой, так и треугольником.

Рис. 8.11

Шесть диодов образуют две группы — нечетную D₁, D₃ и D₅ и четную Д, D₄n D_g .У нечетной группы катоды соединены вместе и служат точкой вывода выпрямителя с положительным потенциалом, а у чет­ной группы — аноды соединены вместе и служат точкой вывода с отрицательным потенциалом. При ра­боте этой схемы выпрямляются обе полуволны пере­менных напряжений всех вторичных обмоток транс­форматора, благодаря чему пульсации выпрямленно­го напряжения значительно уменьшаются.

Выпрямленное напряжение будет из­меняться с двойной частотой пульса­ций (рис. 8.12).

Рис. 8.12

В мощных выпрямителях в основном использу­ется мостовая трехфазная схема. Она получила ши­рокое применение в управляемых выпрямителях, в которых, регулируя моменты открывания и закрыва­ния диодов (тиристоров), можно в широких пределах регулировать среднее значение выпрямленного тока.