7.2 Выпрямители
Процесс преобразования переменного напряжения в постоянное называется выпрямлением, а устройства его реализующие – выпрямителями. Процесс выпрямления основан на использовании свойств диода, у которого при подаче на анод положительного напряжения сопротивление мало (диод открыт), а при отрицательном – велико (диод закрыт). По количеству используемых полупериодов различают одно- и двухполупериодные схемы выпрямления, а по числу фаз – однофазные, двухфазные, трехфазные и многофазные. Выходными параметрами выпрямителя являются ток, напряжение на нагрузке (I0, U0) и коэффициент пульсации (Кn.н.), входными – входное напряжение и ток (U2, I2).
7.2.1 Однофазная однотактная схема выпрямления
На рисунке 7.2а приведена принципиальная схема однофазного однополупериодного выпрямления, а на рис.7.2.б – ВАХ диода и графики, иллюстрирующие процесс выпрямления.
При положительной полуволне входного напряжения (потенциал точки "а" более высок по отношению к точке "б"), диод VD открыт и через нагрузку протекает ток I0 =Iд. При активной нагрузке форма тока через диод и нагрузку будет повторять форму питающего напряжения (рисунок 7.2в). При отрицательной полуволне U2 (потенциал точки "а" ниже, чем потенциал точки "б") диод закрыт, ток через нагрузку не протекает, напряжение на нагрузке равно нулю, а напряжение на диоде равно амплитудному значению U2 (U2m) (рисунок 7.2в).
Задача расчета выпрямителя состоит в выборе типа диодов (определение максимальных значений токов и напряжений (Iд, Uд)) и определение требований к питающему напряжению (U2, I2) по известным значениям напряжения и тока нагрузки (I0, U0). Определение расчетных соотношений основано на использовании разложения в ряд Фурье выходного напряжения. В общем виде разложение в ряд Фурье описывается соотношением
.
(7.3)
а
б в
а – схема; б – ВАХ диода; в – диаграммы напряжений и токов
Рисунок 7.2 – Однофазная однополупериодная схема выпрямления при работе на активную нагрузку
Для функции напряжения на нагрузке однополупериодной схемы выпрямления справедливо соотношение
Uн =
Uо +
(cost
- 2/3cos2t
+ 2/15cos3t
- ...), (7.4)
где U0 – постоянная составляющая.
U0 определяется из выражения
(7.5)
где U2m – амплитудное значение напряжения на входе выпрямителя.
Найдем значение U0:
.
Таким образом:
U0 = U2m/
или U0 = U2 .
,
(7.6)
где U2 – действующее значение напряжения на входе выпрямителя.
Из (7.6) находим:
U2m =U0
= 3.14U0;
U2
=
U0 =
2.2U0 .
(7.7)
Напряжение на диоде в закрытом состоянии равно U2m, таким образом, обратное напряжение диода равно:
Uобр = U2m = 3,14U0 . (7.8)
Амплитудное значение тока через диод определится из соотношения
I2m = Iдm = U2m/Rн = U0/Rн = I0 = 3,14I0 . (7.9)
Действующее значение тока находится из выражения
. (7.10)
Так как sin2x = (1-cos2x)/2, то, выполнив разложение, получим:
.
(7.11)
Подставим значение I2m из (7.9), получим:
I2 = Iв = 0,5 . I0 = 1,57I0 . (7.12)
Определим значение коэффициента пульсации выпрямителя. Используя (7.2) и (7.4), получим:
Кn = U1mн/U0 = (U0/2)/U0 = /2 = 1,57 . (7.13)
Зная I2 и U2, можно ориентировочно определить мощность трансформатора:
Smp (S1 + S2)/2 S2 = I2U2 = 1,57I0 . 2,2U0 = 3,5P0, (7.14)
где S1, S2 – мощности первичной и вторичной обмоток трансформатора.
Таким образом, используя разложение в ряд Фурье, получены основные соотношения для расчета выпрямителя.