40. Нелинейные элементы. Выпрямители на полупроводниковых диодах.

Нелинейные элементы.

Если же для элемента электрической цепи зависимость тока от напряжения или напряжения от тока, а также сопротивление R, непостоянны, то есть изменяются в зависимости от тока или от приложенного напряжения, то такие элементы называются нелинейными, и соответственно электрическая цепь, содержащая минимум один нелинейный элемент, окажется нелинейной электрической цепью.

Вольт-амперная характеристика нелинейного элемента уже не является прямой линией на графике, она непрямолинейна и часто несимметрична, как например у полупроводникового диода. Для нелинейных элементов электрической цепи закон Ома не выполняется.

Пример нелинейного элемента — лампа накаливания. С ростом тока через нить накаливания лампы, ее температура увеличивается и сопротивление возрастает, а значит оно непостоянно, и, следовательно, данный элемент электрической цепи нелинеен.

Нелинейные элементы можно разделить: 

• двух – и многополюсные,

• на инерционные и безынерционные. 

  • Инерционными называются элементы, характеристики которых зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические характеристики, определяющие зависимость между действующими значениями переменных, отличаются от динамических характеристик, устанавливающих взаимосвязь между мгновенными значениями переменных.

  • Безынерционными называются элементы, характеристики которых не зависят от скорости изменения переменных. Для таких элементов статические и динамические характеристики совпадают.

• В зависимости от вида характеристик различают нелинейные элементы с симметричными и несимметричными характеристиками. 

• управляемые и неуправляемые. 

  • В отличие от неуправляемых управляемые нелинейные элементы (обычно трех- и многополюсники) содержат управляющие каналы, изменяя напряжение, ток, световой поток и др. в которых, изменяют их основные характеристики: вольт-амперную, вебер-амперную или кулон-вольтную.

Выпрямители на полупроводниковых диодах.

Выпрямителем называют устройство, предназначенное для преобразования энергии источника переменного тока в постоянный ток. Необходимость в подобном преобразовании возникает, когда питание потребителя осуществляется постоянным 5 током, а источником электрической энергии является источник переменного тока.

В большинстве случаев для выпрямления переменного напряжения применяются выпрямители на ПД, поскольку они хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном.

Однофазный однополупериодный выпрямитель

В интервале времени 0 – T/2 напряжение на вторичной обмотке трансформатора u2  0 , следовательно, диод VD открыт и напряжение на нагрузке uн повторяет положительную волну u₂(t) , падение напряжения на открытом диоде u_VD  0.

На интервале T/2 – T напряжение u₂  0, следовательно, диод закрыт и ток в нагрузке i_н  0, отрицательная полуволна u2(t) будет на закрытом диоде. Далее процессы повторяются.

Эта схема называетсяоднополупериодной. Часто ее называют однофазной однотактной, т.к. источник переменной ЭДС является однофазным и ток проходит через него в одном направлении один раз за период (один такт за период).

В качестве источника синусоидальной ЭДС обычно служит силовой трансформатор, включенный в электрическую сеть.

Напряжение (ток) на нагрузке имеет пульсирующий характер с постоянной составляющей U_{н cp} (I_{н cp}), которые необходимы для питания нагрузки. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет как постоянную U_{н cp}, так и переменную составляющую, которую называют напряжением пульсаций u_пульс(t).

Пульсации характеризуются частотой и разностью максимального и минимального значений напряжения U_н за период. Для данной схемы выпрямления, как видно из временных диаграмм, частота пульсаций совпадает с сетевой частотой, а U_н U2_m. Чем меньше пульсации и чем больше их частота, тем более качественным считается выпрямленное напряжение.

Связь между U_{н cp} и действующим напряжением вторичной обмотки трансформатора U₂ находят как среднее за период значение напряжения u_н(t):

Выражение (3) положено в основу расчета требуемого коэффициента трансформации k_тр  U₁/ U₂, так как величины U_{н cp} и U₁ являются заданными. Выбор диода по прямому току и обратному напряжению проводят по соотношениям:

Однофазный двухполупериодный выпрямитель (мостовая схема)

В интервале времени 0 – T/2 напряжение на вторичной обмотке трансформатора u₂  0 , следовательно, диоды VD1 и VD4 открыты и напряжение на нагрузке u_н повторяет положительную волну u₂(t).

На интервале T/2 – T напряжение u₂ (t) 0, следовательно, диоды VD2 и VD3 открыты, а VD1 и VD4 закрыты. Ток через нагрузку сохраняет то же направление, что и на интервале 0 – T/2, а значит, напряжение u_н(t) не изменяет свою полярность. Далее процессы повторяются.

Таким образом, напряжение на нагрузке однополярно и имеет пульсирующий характер с постоянной составляющей:

Диоды по прямому току и обратному напряжению выбираются по соотношениям:

Преимуществами мостовой схемы по сравнению с однофазной однополупериодной схемой является более легкий режим работы диодов (при одинаковых U_{н cp} и I_{н cp}). Также в мостовой схеме лучше используется трансформатор, так как ток вторичной обмотки i₂(t) не имеет постоянной составляющей, подмагничивающей сердечник трансформатора.

Качество выпрямленного напряжения u_н(t) количественно оценивается величиной коэффициента пульсаций, которую можно вычислить при разложении периодической функции u_н(t) в ряд Фурье.

Для однополупериодного выпрямления это разложение имеет вид: