Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
На рис. 27 показана электрическая схема и временные диаграммы напряжения и тока в двухполупериодном выпрямителе со средней точкой.
|
|
Рис. 27
Данный выпрямитель представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, подключенных к общей нагрузке.
В
положительный полупериод
потенциал в точке "
"
выше, ток
идет по цепи 
,
а диод 
закрыт.
В отрицательный полупериод
закрывается 
,
а ток идет по цепи 
.
Средние значения выпрямленного напряжения и коэффициента пульсаций те же, что и в предыдущей схеме, т.е.
; 
Недостатком данной схемы является необходимость наличия трансформатора с выводом средней точки.
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой содержит два вентиля (диода) VD1 и VD2 (рис. 5.4) и использует трансформатор, имеющий вывод средней точки вторичной обмотки (СОМ). Нагрузка RH подключается между общей точкой диодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора.
Напряжения на противоположных концах вторичной обмотки, измеряемые относительно средней точки, находятся в данной схеме в противофазе, т. е. когда, например, на верхнем выводе положительная полуволна напряжения, то на нижнем – отрицательная и наоборот. В результате, когда открыт вентиль VD1, вентиль VD2 закрыт, а когда вентиль VD1 закрыт, вентильVD2 открыт. Таким образом, через нагрузку ток протекает в течение обоих полупериодов подводимого напряжения и поэтому такой выпрямитель называется двухполупериодным. Работа двухполупериодного выпрямителя со средней точкой иллюстрируется рис. 5.5.
Ряды Фурье для выпрямленных напряжения URН(T) и тока IRН(T) имеют следующий вид:
Здесь U2M –
максимальное (амплитудное) значение
напряжения вторичной обмотки, измеряемое
между одним из концов вторичной обмотки
и ее средней точкой, 
–
максимальное значение тока нагрузки.
Как видно из диаграммы и как это следует из приведенных формул, среднее значение выпрямленного напряжения здесь в 2 раза больше, чем в однополупериодной схеме:
U0 = 2U2M / π (5.5)
Максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать каждый вентиль в закрытом состоянии, в данной схеме равно:
UОБРM = 2U2M (5.6)
Коэффициент пульсации, рассчитываемый аналогично (5.3), равен:
KП = 2/3 = 0,66 (5.7)
Он в два с лишним раза меньше, чем в однополупериодной схеме выпрямления.
По сравнению с однополупериодным выпрямителем данный выпрямитель позволяет в 2 раза увеличить мощность, отдаваемую в нагрузку, без увеличения установочной (габаритной) мощности трансформатора.
Особенности выбора выпрямительных диодов
При выборе диодов выпрямителя необходимо учитывать целый набор факторов, определяемых принципиальной схемой выпрямителя, частотой и величиной входного переменного напряжения, величинами напряжения и тока нагрузки, условиями эксплуатации (температура, влажность, устойчивость входного напряжения и т.п.), характером нагрузки (емкостная, индуктивная), наличием коммутационных перегрузок в цепи нагрузки, параметрами применяемого трансформатора и т.д.
В первую очередь необходимо рассчитать значение максимального обратного напряжения, прикладываемого к силовым диодам при работе выпрямителя выбранного типа, а также оценить среднее значение протекающего через них прямого тока. Полученные таким образом значения, необходимо откорректировать в зависимости от характера нагрузки.
При наличии активно-емкостной нагрузки амплитудное и действующее значения тока силовых диодов могут существенно превышать его расчетное среднее значение Iд ср. Так, например, при допустимом уровне пульсаций на выходе порядка 0,1% в однофазном мостовом выпрямителе с емкостным фильтром амплитудное значение тока выпрямительных диодов может достигать 15. Iд ср.
Величина максимально допустимого повторяющегося обратного напряжения Uобр макс используемых диодов также подвержена влиянию нагрузки (характер этого влияния может быть вычислен по формулам, приводимым далее).
Опираясь на найденные значения Iд ср и Uобр макс (не забывая также о предполагаемой частоте входного переменного напряжения), по таблицам справочных данных производят предварительный выбор силовых диодов.
Немаловажное значение для характеристик выпрямителя имеет тип выбранных выпрямительных диодов. Напомним, что в качестве выпрямительных могут использоваться кремниевые, германиевые или арсенид-галлиевые диоды с p - n переходом (в т.ч. лавинные диоды), а также кремниевые или арсенид-галлиевые диоды с переходом Шоттки.
Германиевые выпрямительные диоды довольно широко использовались 10..20 лет назад. В настоящее время они практически полностью вытеснены более совершенными кремниевыми и арсенид-галиевыми приборами.
Кремниевые выпрямительные диоды с p - n переходом — это наиболее распространенный в настоящее время вид диодов, применяемых во всех классах выпрямителей (однако они постепенно вытесняются более эффективными диодами с переходом Шоттки). Их основные свойства:
• максимально прямые допустимые токи кремниевых диодов различных типов составляют 0,1... 1600 А, падение напряжения на диодах при этих токах не превышает обычно 1,5 В;
• с увеличением температуры прямое падение напряжения уменьшается;
• обратная ветвь ВАХ кремниевых диодов не имеет ярко выраженного участка насыщения;
• пробой кремниевых диодов имеет лавинный характер, поэтому напряжение пробоя для некоторых типов кремниевых диодов при комнатной температуре может составлять 1500...2000 В);
• диапазон рабочих температур для кремниевых выпрямительных диодов ограничен значениями-60...+125 °С.
Выпрямительные диоды, изготовленные из материала с большой шириной запрещенной зоны, обладают существенными преимуществами в свойствах и параметрах. С этой точки зрения, относительно недавно появившиеся выпрямительные диоды с p - n переходом из арсенида галлия являются очень перспективными приборами. К основным свойствам арсенид-галлиевых приборов следует отнести:
• значительный диапазон рабочих температур (до 250 °С);
• лучшие частотные свойства (арсенид-галлиевые диоды могут работать в качестве выпрямителей малой мощности до частоты 1 МГц и выше);
• повышенное (более 3 В) падение напряжения при прямом смещении.
Выпрямительные диоды с барьером Шоттки — наиболее перспективный вид полупроводниковых выпрямительных диодов.
Основными свойствами диодов Шоттки являются:
• малое падение напряжения при прямом смещении (около 0,6 В);
• большая максимально допустимая плотность тока, что связано как с меньшим падением напряжения на диоде, так и с особенностями его конструкции, обеспечивающими хороший отвод тепла от выпрямляющего перехода;
• способность выдерживать значительные перегрузки по току по сравнению с аналогичными диодами с p - n переходом;
• кремниевые и особенно арсенид-галлиевые диоды Шоттки имеют пока относительно маленькие значения пробивных напряжений (20...70 В), но по мере совершенствования технологии их изготовления этот недостаток постепенно устраняется