Выпрямители с активной нагрузкой

Рассмотрим идеализированные схемы выпрямителей, работающих па активную нагрузку, т.е. такие у которых нагрузку можно считать идеальным резистором.

1. Вентили

Для преобразования переменного тока в постоянный применяются приборы с односторонней (вентильной) проводимостью, сопротивление которых для тока одного направления намного меньше сопротивления для тока обратного направления. Вентили бывают неуправляемые и управляемые. Неуправляемые вентили реализуются обычными диодами, а в качестве управляемых - применяют тиристоры и транзисторы.

1.1. Диодные неуправляемые вентили

Рис. 1. Вольт-амперная характеристика неуправляемого вентиля:

а — идеализированного; б — реального

На рис. 1, а показана вольтамперная характеристика (ВАХ) идеального неуправляемого вентиля. В нем прямой ток I_пр возникает при приложении к нему сколь угодно малого напряжения U_np. в прямом направлении. Прямое сопротивление идеального вентиля равно нулю, поэтому соответствующее падение напряжения U_пр=0. Прямая ветвь ВАХ идеального вентиля совпадает с осью тока I_пр (вертикальна). При любых малых обратных напряжениях U_ОБР идеальный вентиль обладает бесконечно большим сопротивлением и, следовательно, обратный ток по вентилю протекать не может, т.е. I_обр=0.

Вольтамперная характеристика реального неуправляемого вентиля - выпрямительного диода VD - показана на рис. 1,б. Прямое сопротивление этого диода больше нуля, поэтому протекание тока в прямом направлении вызовет соответствующее падение напряжения на нем. Обратное сопротивление диода имеет некоторое конечное значение, поэтому при приложении к электродам диода обратного напряжения в нем появляется небольшой обратный ток.

Таким образом, при положительной разности потенциалов между анодом и катодом выпрямительный диод любого вида «открывается» — проводит ток в прямом направлении, а при отрицательной разности потенциалов выпрямительный диод «закрывается», т.е. ток, протекающий по нему в обратном направлении, намного меньше его прямого тока. Это основное свойство выпрямительного диода лежит в основе работы всех изучаемых ниже схем выпрямления.

Выпрямительные свойства описываемых диодов характеризуются рядом параметров, к которым относятся как предельные эксплуатационные, так и средние (номинальные) параметры.

Основные параметры выпрямительных диодов:

1. I_np.cp.max, A,— максимально допустимый средний прямой ток. Это значение тока определяется мощностью, которая рассеивается на диоде.

2. U_{обр.и.max}, В, — максимально допустимое импульсное обратное напряжение, которое диод данного типа может выдержать, не подвергаясь опасности пробоя.

Если обратное напряжение схемы выпрямления, в которой установлен диод, близко к пробивному U_прo6 (рис. 1,б), то обратный ток диода резко увеличивается, что приводит к его пробою. Такое нарушение вентильного свойства выпрямительных диодов для большей части выпрямителей равносильно короткому замыканию вторичной обмотки трансформатора со всеми его последствиями. Значение U_{обр.и.max} принимается, как правило, в 1,5—2 раза меньше пробивного.

3. U_np.cp, В, - среднее прямое напряжение (падение напряжения на внутреннем сопротивлении диода) при токе I_пр.ср (рис. 1,б), т.е. в открытом состоянии диода. Значение U_np.cp определяет КПД выпрямительного устройства: чем меньше U_np.cp, тем ниже потери и выше КПД данного устройства.

4. r_диф, Ом, — дифференциальное (внутреннее) сопротивление выпрямительного диода, которое представляет собой отношение малого приращения напряжения диода к малому приращению тока в нем при заданном режиме по току в прямом направлении. Значение r_диф определяется значением U_пр._ср данного диода и I_пр.ср — средним значением прямого тока вентиля (плеча) рассчитываемой схемы выпрямления.

Выпрямительные диоды характеризуются также динамическим сопротивлением r_диф, которое определяется наклоном прямой, аппроксимирующей прямую ветвь ВАХ,