Двухполупериодные схемы выпрямителей

В двухполупериодных схемах выпрямителей энергетические и качественные показатели значительно выше, чем в однополупериодной. Схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с активной нагрузкой приведена на рис.1.3а, временные диаграммы, поясняющие работу схемы, - на рис.1.3б. Фактически схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку.

Рис.1.3 Двухполупериодная схема выпрямителя со средней точкой (а)

и временные диаграммы ее работы (б).

Вторичная обмотка трансформатора имеет отвод от средней точки. Напряжения на каждой половинке обмотки равны по величине и противоположны по фазе (относительно средней точки):

e₂'' (ωt) = E_2m sin (ωt+).

Вследствие этого в положительный полупериод диод VD1 открыт, а VD2 закрыт, и процессы в схеме полностью идентичны процессам в однополупериодной схеме. В отрицательный полупериод диод VD1 закрыт, а открыт диод VD2, и через нагрузку протекает такой же ток, как и в положительный полупериод (рис.1.2б). Таким образом ток и напряжение на нагрузке существует в течение всего периода и в течение каждого полупериода описываются выражениями:

,

Ток в каждой половинке вторичной обмотки трансформатора существует в течение полупериода и направлен от средней точки. Постоянные составляющие этих токов направлены во вторичной обмотке в противоположные стороны, и результирующее постоянное подмагничивание сердечника трансформатора равно нулю, поэтому ток первичной обмотки трансформатора в двухполупериодной схеме имеет синусоидальную форму.

Параметры выпрямителя со средней точкой определяются по той же методике, что и для однополупериодного выпрямителя.

Среднее значение напряжения на нагрузке U₀ в два раза больше, чем в однополупериодной схеме (поскольку площадь, занимаемая функцией u_н(t) увеличилась вдвое):

.

Среднее значение тока нагрузки:

.

Среднее значение тока каждого диода в отдельности в два раза меньше тока нагрузки:

.

При представлении схемы со средней точкой активным двухполюсником (рис.1.2) напряжение холостого хода равно:

,

остальные параметры активного двухполюсника такие же, как и для однополупериодного выпрямителя.

Ток вторичной обмотки трансформатора (каждой половины) совпадает с формой тока диода, поэтому действующее значение тока, как и в однополупериодной схеме, равно:

Но поскольку при одинаковой величине I_2m среднее значение тока I₀ в два раза больше, чем в однополупериодной, то:

I₂ = 0,785 I_0.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора обусловлено действием токов обеих половин вторичной обмотки, поэтому:

.

Мощность вторичной обмотки трансформатора:

Мощность первичной обмотки трансформатора:

Габаритная мощность трансформатора:

Частота основной гармоники напряжения на нагрузке в два раза больше частоты сети. Поэтому амплитуда основной гармоники равна:

Коэффициент пульсации напряжения на нагрузке:

.

В схеме со средней точкой максимальное обратное напряжение диода должно быть больше 2Е_2m, поскольку при открытом диоде VD1 к диоду VD2 приложено напряжение обеих половин вторичной обмотки трансформатора.

Недостатком схемы со средней точкой является плохое использование трансформатора, следствием чего является необходимость увеличения размеров сердечника трансформатора.

Этот недостаток устраняется в двухполупериодной мостовой схеме выпрямителя (рис.1.4а). Временные диаграммы, поясняющие особенности работы схемы, приведены на рис.1.4б.

Рис.1.4. Мостовая схема выпрямителя с активной нагрузкой (а)

и временные диаграммы ее работы (б).

В положительный полупериод напряжения на вторичной обмотке трансформатора открыты диоды VD1 и VD3, ток протекает через вторичную обмотку трансформатора, диод VD1, нагрузку и диод VD3. Диоды VD2 и VD4 закрыты. В отрицательный полупериод, наоборот, открыты диоды VD2 и VD4, а VD1 и VD3 закрыты. Ток проходит через вторичную обмотку, диод VD2, нагрузку и диод VD4, причем в нагрузке направление тока не меняется, а во вторичной обмотке меняется на противоположное (рис.1.4б).

В течение каждого полупериода ток и напряжение на нагрузке равны:

,

Отличие от этих выражений от соответствующих выражений для схемы со средней точкой заключается в том, что в мостовой схеме в одном плече включены последовательно два диода, что немного уменьшает амплитуду напряжения на нагрузке. Выражение для среднего значения тока нагрузки, тока диода и напряжения холостого хода совпадают с приведенными выше для схемы со средней точкой:

;

,

Ток вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме существует в течение всего периода, поэтому действующее значение этого тока равно:

,

а соотношение между током I₂ и током нагрузки I₀ принимает вид:

Ток первичной обмотки трансформатора равен:

.

Поэтому мощность первичной и вторичной обмоток трансформатора равны между собой:

Коэффициент пульсации напряжения на нагрузке такой же, как и для схемы со средней точкой:

К_П = 0,67  67%.

Максимальное напряжение, действующее на закрытый диод, равно E_2m, поэтому U_{обр max} > Е_2m.

По энергетическим показателям мостовая схема имеет наилучшие параметры, что и определило ее широкое распространение.

Из-за большого коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения выпрямители с активной нагрузкой для питания электронной аппаратуры не применяются. Для получения выпрямленного напряжения соответствующего качества нагрузке придают реактивный характер сопротивления: емкостной или индуктивный. При этом процессы, протекающие в схеме выпрямителя, существенно изменяются.