1.4.2. Однополупериодный однофазный выпрямитель

Схема простейшего однополупериодного выпрямите­ля (рис.1.7, а) содержит трансформатор Тр, ко вторич­ной обмотке которого последовательно подключены вен­тиль VD и нагрузка R_Н. Как и в электросети, между зажи­мами вторичной обмотки существует синусоидальное напряжение

и ₂ = U_2M sin ω t = U₂ sin ω t,

где U_2M и U₂ – амплитудное и действующее значения напряжения вторичной обмотки соответственно; угловая частота ω связана с частотой сети соотношением ω = 2πf. Графики изменения напряжений и токов при вы­прямлении показаны на рис.1.7, б.

В течение положи­тельной части периода (на верхнем зажиме вторичной обмотки напряжение положительно) вентиль VD открыт и по цепи протекает ток i₂. Напряжение между зажима­ми нагрузки при этом практически равно выходному напряжению трансформатора. При отрицательной полу­волне напряжения вентиль закрыт, и ток в цепи с венти­лем отсутствует. На электродах вентиля (аноде А и ка­тоде К) возникает максимальное обратное напряжение U_ОБР.

Рис.1.7. Схема однополупериодного однофазного выпрямителя (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б, в, г)

Выпрямленное напряжение и ток в нагрузке уже не являются синусоидальными, а имеют вид повторяющихся импульсов одной полярности, разделенных паузами (рис.1.7, в). Напряжение (ток) несинусоидальной фор­мы можно представить как сумму некоторого постоян­ного напряжения и синусоидальных напряжений с час­тотами ω, 2ω и т. д. Такая сумма называется рядом и для однополупериодного напряжения записывается в виде

Первое слагаемое этого ряда – постоянная составля­ющая или среднее значение выпрямленного напряжения U_d, а все последующие члены – переменные составляющие или гармоники. В частности, второе слагаемое называется напряжением основной (первой) гармоники U_1Г с часто­той, равной частоте сети ω, остальные члены ряда – гар­моники более высокого порядка с частотами, кратными основной частоте. Среднее значение выпрямленного напряжения не зависит от частоты тока, его значение равно высоте U_d прямоугольника (рис.1.7, в), площадь которого экви­валентна площади фигуры, заключенной между кривой U_d за один период и осью времени t.

Среднее значение выпрямленного тока зависит от сопротивления нагрузки R_Н и равно I_d = U_d/R_H = 0,45U₂/R_H. Важнейшими параметрами выпрямителя являются действующие напряжение и ток во вторичной обмотке трансформато­ра, которые соответственно равны

;

.

Замена в выпрямителе одного вентиля другим произ­водится с учетом требования U_{ОБР.ДОП} > U_ОБР = U_2M = 3,14U_d и I_СР.ДОП > 1,57 I_d, где U_{ОБР.ДОП} – максимально допустимое обратное напряжение конкретного диода и I_СР.ДОП – допустимый средний ток нового элемента.

Важнейшими показателями выпрямителя являются также мощность постоянного тока, полная мощность трансформатора, мощность, потребляемая от сети, габа­ритная мощность, а также различные коэффициенты.

Полная мощность вторичной обмотки трансформато­ра

S₂ = I₂U₂ = 1,57I_d2,22U_d ≈ 3,5P_d,

т. е. она превышает более чем в 3 раза максимальную мощность постоянного тока нагрузки выпрямителя Р_d = I_dU_d.

Полная расчетная мощность трансформатора S_ТР, часто называемая типовой, равна полусумме мощностей первичной и вторичной обмоток:

S_ТР = (S₁+S₂)/2 ≈ 3,5P_d.

Сравнительную оценку эффективности выпрямителя проводят на основе коэффициентов использования обмоток трансформатора, ис­пользования вентиля по напряжению и току, КПД и т. д. Так, коэф­фициент использования обмоток трансформатора однофазного однополупериодного выпрямителя К_ТР = P_d/S_ТР ≈ 0,3, что свидетельствует о наличии подмагничивающих токов во вторичной обмотке и нера­циональном режиме работы трансформатора.

Коэффициент пульсации q выпрямителя равен отношению амп­литуды первой (основной) гармоники к выпрямленному напряжению (рис.1.7, г):

.

Благодаря простоте устройства однофазные однополупериодные выпрямители часто применяются в маломощных цепях измеритель­ных приборов, в радио- и телевизионной технике.