§ 8.2. Схемы выпрямителей

Схемы выпрямителей разделяют на однополупериодные, двухполупериодные со средней точкой трансформатора, мостовые и схемы с умножением напряжения.

Однополупериодная схема выпрямления, работающая на активную нагрузку, представлена на рис. 8.4, а.

Рис. 8.4.

На первичную (входную) обмотку трансформатора обычно поступает напряжение от сети переменного тока. Значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора определяется заданным значением выпрямленного напряжения, так как при открытом диоде напряжение мвхг почти полностью прикладывается к нагрузке . При этом предполагается, что прямое сопротивление открытого диода много меньше .

Временные диаграммы работы однополупериодного выпрямителя приведены на рис. 8.4, б. В течение положительной полуволны напряжения диод открыт, напряжение на нагрузке на равно по величине напряжению и совпадает с ним по форме. Через нагрузку протекает ток, мгновенное значение которого определяется из следующих формул:

При отрицательной полуволне напряжения диод закрыт и напряжение на нагрузке близко к нулю, так как и напряжение полностью прикладывается к диоду. Максимально допустимое обратное напряжение выбранного типа диода не должно превышать максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, т. е.

где — максимальное эффективное значение синусоидального напряжения на вторичной обмотке трансформатора; — максимальное напряжение на нагрузке.

Из рис. 8.4, б видно, что напряжение на нагрузке выпрямителя является пульсирующим.

Если представить напряжение как сумму гармоник, то можно показать, что амплитуда первой (основной) гармоники и постоянная однополупериодного выпрямителя связаны соотношением

т. е. амплитуда основной гармоники в 1,57 раза превышает постоянную составляющую выпрямленного напряжения.

В соответствии с формулой (8.3) постоянная составляющая пульсирующего напряжения

Из выражения (8.7) найдем коэффициент пульсаций однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель обычно используется в тех случаях, когда нагрузкой являются цепи малой мощности, но высокого напряжения, например высоковольтные цепи электроннолучевых трубок. Основными недостатками однополупериодного выпрямителя, ограничивающими его широкое применение, являются высокий уровень пульсаций на выходе и подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током.

Указанных недостатков лишены двухполупериодные схемы выпрямления.

Двухполупериодная схема выпрямления, работающая на активную нагрузку, изображена на рис. 8.5, а и представляет собой соединение двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. Трансформатор двухполупериодного выпрямителя (рис. 8.5, а) должен иметь вывод от середины вторичной обмотки, который обычно заземляется.

Рис. 8.5.

Временные диаграммы работы двухполупериодного выпрямителя на активную нагрузку показаны на рис. 8.5, б.

В течение положительного полупериода синусоидального входного напряжения переменный потенциал верхнего вывода вторичной обмотки трансформатора положителен относительно заземленной средней точки и совпадает по фазе с напряжением а потенциал нижнего вывода отрицателен и изменяется в противофазе с . Диод оказывается под прямым напряжением и проводит ток , а диод — под обратным и тока не пропускает.

Максимальное обратное напряжение, приложенное к закрытому диоду, определяется максимальным напряжением между верхним И нижним выводами вторичной обмотки и не должно превышать выбранного типа диода:

где — максимальное значение напряжения на нагрузке.

В отрицательный полупериод входного напряжения полярность потенциалов на концах вторичной обмотки меняется на противоположную. Диод закрывается, а диод открывается и проводит ток .

Токи и протекают через нагрузку в одном направлении, поэтому временная диаграмма представляет собой пульсирующее напряжение, достигающее максимального значения два раза за период.

Постоянная составляющая выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя

Коэффициент пульсаций двухполупериодного выпрямителя со средней точкой меньше, чем коэффициент пульсаций однополупериодного и составляет 0,67.

Рис. 8.6.

В двухполупериодной схеме выпрямления магнитные потоки в сердечнике трансформатора, обусловленные постоянными составляющими тока вторичных полуобмоток, направлены встречно и взаимно компенсируются. Поэтому в двухполупериодной схеме отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей, которое характерно для трансформатора однополупериодной схемы. Отсутствие подмагничивания сердечника позволяет использовать в двухполупериодной схеме трансформатор меньших размеров, чем трансформатор однополупериодной схемы.

Широко распространена мостовая схема выпрямителя, в которой вторичная обмотка трансформатора подключена к одной из диагоналей моста, собранного из четырех диодов (рис. 8.6, а), к другой подключается нагрузочное сопротивление .

Временные диаграммы работы мостовой схемы выпрямителя приведены на рис. 8.6, б.

В течение положительного полупериода входного синусоидального напряжения диоды открыты, а диоды закрыты.

Через нагрузку протекает ток в направлении, показанном на рис. 8.6, а сплошной стрелкой.

В течение отрицательного полупериода диода открыты, а диоды закрыты. Через нагрузку протекает ток направление которого совпадает с направлением тока . Поэтому кривая напряжения на нагрузке так же как и в двухполупериодной схеме, представляет собой пульсирующее напряжение, достигающее максимального значения два раза за период.

Максимальное напряжение на нагрузке не должно превышать выбранного типа диода, т. е.

Сравнивая формулы (8.10) и (8.12), можно сделать вывод, что при заданном напряжении максимально допустимое обратное напряжение выбранного типа диодов в двухполупериодной схеме должно быть в два раза больше, чем в мостовой схеме.

Остальные соотношения между параметрами мостовой и двухполупериодной схем совпадают. Постоянная составляющая

соэффициент пульсаций мостовой схемы при работе на активную нагрузку

В мостовой схеме отсутствует подмагничивание сердечника трансформатора, так как во вторичной обмотке отсутствует постоянная составляющая тока.

Сравнивая параметры двухполупериодных схем выпрямителя, можно сделать вывод, что мостовая схема имеет следующие преимущества перед схемой со средней точкой: 1) меньшие габариты и вес; 2) вдвое меньшее напряжение между выводами вторичной обмотки трансформатора для получения заданного выпрямленного напряжения; 3) вдвое меньшее напряжение на вентиле.

Недостатком мостовой схемы является большее количество вентилей.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения позволяют получить на выходе схемы умноженное в несколько раз входное напряжение без использования повышающего трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением выходного напряжения (схема Латура) изображен на рис. 8.7, а. Схема работает следующим образом. В начале положительного полупериода входного напряжения диод открыт, закрыт (рис. 8.7, б).

Конденсатор быстро заряжается через открытый диод практически до значения . В момент времени U, когда входное напряжение становится меньше напряжения на конденсаторе , диод закрывается и конденсатор стремится разрядиться через нагрузку .

Рис. 8.7.

В начале отрицательного полупериода входного напряжения открывается диод остается закрытым. Конденсатор быстро заряжается через открытый диод также до значения . В момент времени диод закрывается и конденсатор начинает разряжаться через нагрузку . Поскольку постоянные времени разряда конденсаторов выбирают по возможности большими, напряжения на конденсаторах во время разряда их изменяются незначительно, т. е. .

Напряжение на нагрузке равно сумме напряжений на конденсаторах. Следовательно,

Изменения напряжений во время заряда конденсаторов определяют величину пульсаций напряжений на выходе выпрямителя.

Очевидно, для уменьшения пульсаций необходимо увеличивать емкость конденсаторов , а также сопротивление нагрузки .

На рис. 8.7, в приведена несимметричная схема удвоителя напряжения, которая работает следующим образом. В течение отрицательного полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора , вентиль открыт, закрыт. Конденсатор заряжается через открытый вентиль до амплитудного значения напряжения . В следующий положительный полупериод открывается вентиль , суммарное напряжение конденсатора и обмотки трансформатора прикладывается к конденсатору и нагрузке.

Конденсатор заряжается через открытый вентиль до удвоенного амплитудного значения напряжения , а конденсатор в это время частично разряжается. При запирании в следующий полупериод разряжается через нагрузку, а конденсатор быстро подзаряжается до амплитудного значения

Схема рис. 8.7, в может послужить основой для построения схем с умножением напряжения в раз.

На рис. 8.7, г приведена схема умножения напряжения в четыре раза, состоящая из двух последовательно соединенных удвоителей напряжения.

Недостатками выпрямителей с умножением напряжения являются низкий КПД и зависимость выходного напряжения выпрямителя от сопротивления нагрузки.