3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.3. Схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку.

Рис. 3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

В схеме диоды VD1 иVD2 подключены к двум одинаковым вторичным полуобмоткам, действующее напряжение на которых равноU₂.

Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.4). Под действием переменного напряжения вторичной обмотки u₂диодVD1 проводит ток только в нечётные полупериоды, а диодVD2 – только в чётные. В нагрузке получается два полупериода пульсирующего напряжения, частота пульсаций в два раза выше частоты питающей сети. Приведённые выше формулы (3.1)…(3.4) выведены в общем виде, поэтому для рассматриваемой схемы будем записывать только окончательный результат.

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Среднее значение выпрямленного тока .

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде достигает удвоенной амплитуды значения напряжения вторичной обмотки

.

Ток вторичной обмотки представляет собой сумму токов каждой из полуобмоток, поэтому подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Однако напряжение на закрытом диоде получается слишком большим, примерно в три раза больше выпрямленного напряжения, поэтому двухполупериодную схему используют при U_d30 В.

Рис. 3.4. Временная диаграмма работы однофазного двухполупериодного выпрямителя

Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

,

где P_d=U_dI_d– мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

3.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.5. В данной схеме у трансформатора только одна вторичная обмотка, но в нагрузку поступают два полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нечётные полупериоды ток проходит через диод VD1, нагрузку, диодVD3. В чётные – через диодVD2, нагрузку, диодVD4.

Рис. 3.5. Однофазный мостовой выпрямитель

Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.6. Она практически не отличается от временной диаграммы двухполупериодного выпрямителя, только лишь отмечено прохождение тока через пары диодов VD1,VD3 иVD2,VD4, а также видно, что обратное напряжение на закрытом диодеU_b.maxуменьшилось.

Среднее значение выпрямленного напряжения такое же, как в предыдущей схеме

.

Рис. 3.6. Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки

.

Подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

,

где P_d=U_dI_d– мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

Для удобства сравнения различных схем выпрямителей составим таблицу основных электрических параметров.

Таблица 3.1

Основные электрические параметры однофазных выпрямителей

Схема выпрямителя	Трансформатор						Диоды		Нагрузка КП(1)
	Ud/U2	I2/Id	I1/nId	S1/Pd	S2/Pd	ST/Pd	Ub.max Ud	Ia/Id
Однофазная однополупериодная	0,45	1,57	1,21	2,69	3,49	3,09	1,57	1	1,57
Однофазная двухполупериодная	0,9	0,79	1,11	1,23	1,73	1,48	3,14	0,5	0,667
Однофазная мостовая	0,9	1,11	1,11	1,23	1,23	1,23	1,57	0,5	0,667

Проведённый анализ работы схем выпрямителей не учитывал влияние на выходное напряжение выпрямителя внутреннего сопротивления трансформатора и сопротивления диодов, а также потерь из-за прямого падения напряжения на открытых диодах.

На холостом ходувыпрямителя выходное напряжение будет меньше расчётного на величину прямого падения напряжения на открытых диодах. Для однополупериодной и двухполупериодной схемы последовательно с нагрузкой включён только один диод, а в мостовой схеме – два. Поэтому мостовая схема для малых выходных напряжений не применяется, так как падение напряжения на двух диодах существенно снижает коэффициент полезного действия схемы. Предположим, выходное напряжение выпрямителя равно 3 В. На каждом из диодов мостовой схемы прямое падение напряжения составит около 1 В, итого 2 В. То есть трансформатор должен иметь на вторичной обмотке запас по напряжению в 40% из-за потерь в диодах.

Под нагрузкойвыходное напряжение выпрямителя начнёт уменьшаться из-за потерь напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и диодов. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от тока нагрузки называетсявнешней характеристикой.

Уравнение внешней характеристики

, (3.14)

где U_d0– напряжение холостого хода выпрямителя;

r_a– активное сопротивление трансформатора;

r_пр– прямое динамическое сопротивление диодов;

I_d– ток нагрузки.

Как следует из выражения (3.14) внешняя характеристика выпрямителя, работающего на активную нагрузку, представляет собой прямую линию. Примерный вид внешней характеристики представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Внешняя характеристика выпрямителя с активной нагрузкой

Более подробные сведения об однофазных выпрямителях приведены в литературе [11, 14, 20].

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются выпрямители?

2. Приведите классификацию и перечислите основные параметры выпрямителей.

3. Нарисуйте схему однополупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

4. Нарисуйте схему двухполупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

5. Нарисуйте схему мостового однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.