Однополупериодная схема выпрямления: принцип действия, достоинства и недостатки,
В однополупериодном выпрямителе вентиль VD (обычно полупроводниковый диод) пропускает ток только в одном направлении и, таким образом, он и осуществляет выпрямление переменного тока. При этом ток во вторичной обмотке трансформатора протекает не более половины периода фазного напряжения.
Рис. 5.2. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя
Временные диаграммы токов и напряжений в однополупериодной схеме выпрямления
В символическом изображении вентиля направление тока указывает электрод в форме стрелки (анод). Электрод в виде вертикальной черты называется катодом. Протекание тока через вентиль возможно лишь тогда, когда между анодом и катодом действует прямое напряжение, т.е., когда анод имеет положительный потенциал по отношению к катоду. В этом случае принято говорить, что вентиль открыт. При воздействии обратного напряжения, когда анод отрицателен по отношению к катоду, вентиль заперт, т.е. ток через него не протекает.
При подключении первичной обмотки трансформатора к сети синусоидального напряжения с действующим значением U1, во вторичной обмотке индуцируется напряжение U2 = U2m sin(ωt). В те моменты времени, когда на выходе трансформатора возникает положительная полуволна напряжения, вентиль открыт и через него, а также и через сопротивление нагрузки RH протекает ток iRн.
При изменении полярности вторичного напряжения к аноду вентиля прикладывается отрицательное напряжение относительно катода и он запирается. Таким образом, за каждый период через нагрузочный резистор протекает ток только в одном направлении (выпрямленный ток) в течение одного полупериода.
Представление выпрямленного напряжения URн(t) и тока iRн(t) в виде ряда Фурье позволяет определить важнейшие параметры выпрямителя:
,
где
.
Первый член этих рядов определяет величину среднего значения (постоянную составляющую) выпрямленного напряжения и обусловленного им тока:
U0 = U2m / π ; I0 = IRнmax / π
Из полученного выражения видно, что постоянные составляющие указанных величин в π раз меньше амплитудных значений.
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения kп равен отношению амплитуды низшей гармоники (в данном случае первой) к значению постоянной составляющей U0:
kп = π/2 = 1,57
Максимальное значение обратного напряжения UОБРm, которое приложено в вентилю в запертом состоянии, равно амплитуде вторичного напряжения:
UОБРm = U2m (5.4)
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой содержит два вентиля (диода) VD1 и VD2 и использует трансформатор, имеющий вывод средней точки вторичной обмотки (СОМ). Нагрузка RH подключается между общей точкой диодов и средней точкой вторичной обмотки трансформатора.
Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой
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, вентиль VD2 открыт.
Временные диаграммы токов и напряжений в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой
Таким образом, через нагрузку ток протекает в течение обоих полупериодов подводимого напряжения и поэтому такой выпрямитель называется двухполупериодным.
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.