7.1 Однофазный мостовой выпрямитель

Схема выпрямителя дана на рис. 68. Принцип действия выпрямителя рассмотрим, приняв нагрузку выпрямителя чисто активной.

Выходное напряжение u_d при чисто активной нагрузке имеет вид однополярных полуволн напряжения u₂ (рис.68., в). Это получается в результате поочередного отпирания диодов Д₁, Д₂ и Д₃, Д₄.

При наличии полуволны напряжения u₁ отрицательной полярности, полярность напряжения u₂ обратная. Под ее воздействием открыты другие два диода, подключающие напряжение u₂ к нагрузке с той же полярностью, что и на предыдущем интервале (рисунок 3.39, а, б). Ввиду идентичности кривых u_d для выпрямителя мостовой схемы действительны соотношения между выпрямленным напряжением U_d и действующим значением напряжения U₂ и соотношения, характеризующие гармонический состав и коэффициент пульсации q_n выходного напряжения.

.

Рис.68 – Мостовой выпрямитель

Коэффициент пульсаций отражает отношение амплитуды n-й гармоники пульсации к среднему значению напряжения U_d. Его (q₁) обычно определяют по амплитуде первой гармоники пульсации как наибольшей и труднофильтруемой.

,

где m – эквивалентное число фаз выпрямления (для схемы m = 2 и q₁ = 0,67). Для схемы амплитуда первой гармоники пульсации составляет 67 % от U_d.

Поскольку ток I_d = U_d/R_н распределяется поровну между парами диодов, ток I_a каждого диода в рассматриваемой схеме также находят из соотношения: I_a = I_d/2 . Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Максимальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения u₂:

u_обр = (2)^1/2u₂ = (p/2)U_d .

Выражение для действующего значения тока I₂ обусловлено тем, что ток i₂ синусоидальный, а не пульсирующий:

I₂ = U₂/R_н = [p/(2×2^1/2)]U_d/R_н = [p/(2×2^1/2)]I_d .

Ток I₁ связан с токами I₂ и I_d соотношением:

I₁ = I₂/n = [p/(2×2^1/2)]I_d/n ; n = U₁/U₂ - коэффициент трансформации.

Расчётные мощности обмоток одинаковы: S₁ = S₂ = S_т = 1,23P_d (P_d – мощность на диоде).

Таким образом, преимуществами мостовой схемы выпрямителя являются более простой трансформатор, содержащий только одну вторичную обмотку, и меньшее обратное напряжение, на которое следует выбирать диоды. Указанные преимущества компенсируют недостаток схемы, заключающийся в большем числе диодов.

Анализ принципа действия и режимов работы маломощных выпрямителей однофазного тока проводился в предположении, что активные сопротивления обмоток трансформатора, подводящих проводов, сглаживающего дросселя, а также падения напряжения на диодах равны нулю. В связи с этим приведенные соотношения следует считать приближенными для реальных схем, поскольку вследствие падений напряжения на элементах от протекания токов реальное среднее значение выпрямленного напряжения U_d получается меньше и уменьшается с ростом тока нагрузки I_d.

Анализ принципа действия и режимов работы маломощных выпрямителей однофазного тока проводился в предположении, что активные сопротивления обмоток трансформатора, подводящих проводов, сглаживающего дросселя, а также падения напряжения на диодах равны нулю. В связи с этим приведенные соотношения следует считать приближенными для реальных схем, поскольку вследствие падений напряжения на элементах от протекания токов реальное среднее значение выпрямленного напряжения U_d получается меньше и уменьшается с ростом тока нагрузки I_d. Это явление отражает внешняя характеристика выпрямителя – зависимость U_d = F(I_d).

Кривая выпрямленного напряжения помимо постоянной составляющей содержит переменную (пульсирующую) составляющую, которая определяется разностью напряжений u_d(wt) – U_d. Наличие переменной составляющей в подавляющем большинстве случаев является нежелательным. Поэтому осуществляют фильтрацию выпрямленного напряжения путем подключения к выходу выпрямителя сглаживающих фильтров (рисунок 3.37).

Сглаживающие фильтры выполняют на основе реактивных элементов – дросселей и конденсаторов, которые оказывают соответственно большое и малое сопротивления переменному току и, наоборот – постоянному току. Сглаживающий дроссель включают последовательно с нагрузкой, а конденсатор – параллельно ей.

Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.

Путем выбора параметров фильтра получают постоянное напряжение, удовлетворяющее нагрузку в отношении пульсаций. Наличие сглаживающего фильтра оказывает значительное влияние на режим работы выпрямителя и его элементов. Существенным при этом является характер входной цепи сглаживающего фильтра, определяющий совместно с внешней нагрузкой вид нагрузки выпрямителя. Так для сглаживающих фильтров, выполненных по схемам на пассивных компонентах, кроме одиночной ёмкости, нагрузка выпрямителя носит активно-индуктивный характер, а для сглаживающего фильтра в виде ёмкости – активно-ёмкостный характер.