III. Требования к оформлению отчета

Отчет должен содержать:

• принципиальные схемы исследуемых выпрямителей;

• таблицы с результатами измерений и с расчетными данными;

• диаграммы напряжений и токов;

• внешние характеристики на одном листе в одном масштабе и в одних координатных осях;

• расчет коэффициента пульсаций.

IV. Краткие теоретические сведения

Однофазные выпрямители обычно используются в маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт). Для выпрямления однофазного переменного тока широко применяются три типа выпрямителей: однополупериодный, двухполупериодный со средней точкой и двухполупериодный мостовой.

Анализ работы выпрямителей проводят при допущениях, что трансформатор и диод идеальны. Это означает:

1. индуктивные сопротивления рассеяния и активные сопротивления обмоток трансформатора, а также сопротивление диода в прямом включении равны нулю (в действительности они не равны нулю, но очень малы по сравнению с сопротивлением нагрузки, то есть резистора R_н);

2. при отрицательной полярности входного напряжения сопротивление диода бесконечно велико, следовательно, обратный ток через анод равен нулю (в действительности сопротивление диода имеет конечную величину, но оно на несколько порядков больше сопротивления диода при прямом включении и во много раз больше сопротивления нагрузки R_н).

Работу выпрямителя удобно рассматривать с помощью временны́х диаграмм. При этом принятые допущения позволяют считать, что если напряжение U₁ на первичной обмотке трансформатора изменяется во времени по синусоидальному закону, то напряжение U₂ на вторичной обмотке трансформатора также будет синусоидальным. Ток I_d в нагрузочном резисторе R_н появляется только в те полупериоды напряжения U₂, когда потенциал точки вторичной обмотки трансформатора положителен по отношению к потенциалу точки b, так как при таком включении диод открыт (рис. 1.9, а).

a)

б)

Рис. 1.9. Схема (a) и временные диаграммы (б) однополупериодного выпрямителя

Когда же потенциал точки отрицателен по отношению к потенциалу точки b, ток в цепи вторичной обмотки трансформатора равен нулю.

Таким образом, ток в резисторе R_н имеет прерывистый характер, т. е. появляется только в один из полупериодов напряжения u₂. Поэтому выпрямитель, собранный по схеме рис. 1.9, а, называют однополупериодным.

При принятых допущениях в положительный полупериод входного напряжения форма напряжения u₂ и форма напряжения u_d на резисторе R_н совпадают, при этом напряжение на диоде равно нулю, а в отрицательный полупериод входного напряжения – напряжение на нагрузке u_d равно нулю и напряжение на диоде равно u₂ (рис. 1.9, б).

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Недостатком однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока через обмотки трансформатора, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к тепловым потерями и к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Перечисленных недостатков лишены двухполупериодные выпрямители, в которых используются оба полупериода напряжения сети. Наиболее распространен мостовой выпрямитель (рис. 1.10, а), в котором диоды VD1…VD4 включены по мостовой схеме.

К одной из диагоналей моста подведено переменное напряжение, а к другой диагонали подключена нагрузка R_н. В этом выпрямителе в течение первого полупериода напряжения U₂ (точка а вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к потенциалу точки b) диоды VD3 и VD2 открыты, и через резистор R_н протекает ток I_d. В это время диоды VD1 и VD4 закрыты (см. рис. 1.10, а). В другой полупериод напряжения U₂ потенциал точки a более отрицателен, чем потенциал точки b, поэтому диоды VD1 и VD4 открыты, а диоды VD3 и VD2 закрыты. При этом через нагрузочный резистор R_н ток протекает в том же направлении, что и в первый полупериод напряжения U₂.

a)

б)

Рис. 1.10. Схема (a) и временные диаграммы (б) двухполупериодного мостового выпрямителя

Анализ временны́х диаграмм на рис. 1.10, б показывает, что при принятых допущениях и одинаковых значениях U₂ и R_н мостовой выпрямитель имеет то преимущество по сравнению с однополупериодным выпрямителем, что средний выпрямленный ток I_d и напряжение U_d в два раза больше, а пульсации значительно меньше.

Вывод. Сравнение двух типов выпрямителей при одинаковых значениях U₂ и R_н позволяет выявить их преимущества и недостатки. Двухполупериодный мостовой выпрямитель более эффективен: среднее значение выпрямленных токов и напряжений у него в два раза больше, а пульсации значительно меньше, чем у однополупериодного выпрямителя. Преимуществами однополупериодных выпрямителей являются простота конструкции и меньшая стоимость.

Недостатком мостового выпрямителя является необходимость в большем количестве диодов.

Основными электрическими параметрами выпрямителей являются:

а) среднее значение выпрямленного напряжения U_d:

где Т – период напряжения сети;

б) среднее значение выпрямленного тока I_d:

в) коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения q:

где U_1m – амплитуда основной гармоники выходного напряжения.

При расчете выпрямителя для выбора диода необходимы следующие его параметры:

• максимальное обратное напряжение на диоде U_{обр. макс};

• среднее значение тока через диод I_a;

• максимальное значение тока через диод I_am.

Токи I_a и I_am принято выражать через I_d, а U_bm через U_d. Значение U_{обр. макс} используется для выбора диода по напряжению. Значения I_a и I_am используются для выбора диода по току.

Основные электрические параметры выпрямителей и условия их эксплуатации определяют выбор типа диодов.

В табл. 1.9 представлены основные параметры выпрямителей.

Таблица 1.9. Основные параметры выпрямителя
Параметры	Однофазный однополупериодный выпрямитель	Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель
Действующее напряжение вторичной обмотки
Действующий ток вторичной обмотки
Действующий ток первичной обмотки
Типовая мощность трансформатора
Обратное напряжение на диоде Uобр. макс
Среднее значение тока диода
Действующее значение тока диода
Амплитудное значение тока диода Iam
Частота основной гармоники пульсации fп
Коэффициент пульсаций выходного напряжения
Коэффициент трансформации

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения могут применяться следующие типы фильтров: С-фильтр; RС-фильтр; LC-фильтр; CRC-фильтр; CLC-фильтр.

Различные варианты схем выпрямления в сочетании с различными фильтрами имеют разные внешние характеристики. Внешней характеристикой называется функциональная зависимость вида U_d = f(I_d). Значение напряжения U_d при I_d = 0 соответствует режиму холостого хода.

От схемы выпрямителя и от типа применяемого фильтра зависит качество выпрямления, которое характеризуется коэффициентом пульсации q. Он определяется из следующего соотношения:

где U_1m, U_1эф – амплитудное и действующее значения первой (основной) гармоники переменной составляющей выпрямленного напряжения.

Теоретическое значение коэффициента пульсаций в выходном напряжении выпрямителей (без применения сглаживающих фильтров) рассчитывается по следующей формуле:

где m – пульсность, то есть отношение частоты первой гармоники пульсаций выпрямленного напряжения к частоте сети (m ≥ 2).

Если коэффициент пульсаций до фильтра обозначить как q₁, a после фильтра как q₂, то отношение q₁ к q₂ будет называться коэффициентом сглаживания s = q₁/q₂.

Важной характеристикой схемы выпрямления и применяемого фильтра является максимальное обратное напряжение на диоде, обозначаемое U_{обр. макс}. Это напряжение может быть измерено при помощи осциллографа. Практически для характеристики источника питания определяют следующие соотношения: U₂/U_d; I₂/I_d; U_{обр. макс}/U_d.