23-3. Простейшие выпрямители

Рассмотрим теперь простейшие схемы, предназначенные для выпрямления, т. е. преобразования переменного тока в постоянный

Расчет проведем методом кусочно-линейной аппроксимации.

Рис. 23-3.

Для однополупериодного выпрямителя с активным сопротивлением нагрузки питаемого от источника синусоидального напряжения (рис. 23-3, а), на рис. 23-3, б построены кривые токи i и напряжения на сопротивлении нагрузки в предположении, что вентиль идеальный.

Напряжение на сопротивлении нагрузки резко несинусоидально и имеет наряду с постоянной составляющей равной по величине (приложение 1), еще первую и все четные гармоники. Если схему с вентилем

применяют для получения постоянного напряжения, то перед сопротивлением включается фильтр низкой частоты, пропускающий только постоянную составляющую и не пропускающий все гармоники, начиная с первой

Рассмотрим, каковы значения тока, напряжения и мощности источника в цепи (рис 23-3, а) при отсутствии фильтра

Действующее напряжение питания Действующий ток, как и в цепях синусоидального тока

но интеграл, стоящий под знаком корня, в 2 раза меньше его значения при отсутствии вентиля, когда протекает синусоидальный ток Поэтому

т. е. действующий ток зависит от действующего напряжения источника по линейному закону Действующее напряжение на сопротивлении нагрузки

Активная мощность в сопротивлении нагрузки в 2 раза меньше мощности, выделяемой при отсутствии выпрямителя

Потная мощность источника питания

и, следовательно, коэффициент мощности выпрямителя

    (23-6)

То обстоятельство, что коэффициент мощности не равен единице, объясняется в рассматриваемом случае не наличием реактивных сопротивлений, а искажением формы кривой тока но отношению к форме кривой напряжения источника питания

Для сопротивления нагрузки действующее напряжение в раз меньше, чем для источника, и, следовательно,

Реактивная мощность источника

так как напряжение содержит только основную гармонику, a первая гармоника тока (см. приложение 1 и рис. 23-3) совпадает по фазе с напряжением.

На аналогичном принципе построены и более сложные схемы выпрямителей двух, трех и большего числа фаз.

На рис. 23-4, а изображена схема двухполупериодного кенотронного выпрямителя со средней точкой. Токи, проходящие через оба вентиля (кенотрона), в сопротивлении совпадают по направлению. В течение одного полупериода ток проходит через верхнюю часть вторичной обмотки трансформатора и первый вентиль по пути , а в течение другого полупериода — через нижнюю часть обмотки и второй вентиль по пути .

Рис. 23-4.

Если принять характеристику вентиля идеальной, то постоянная составляющая напряжения на нагрузке раз меньше максимального значения напряжения, питающего один вентиль, однако, так же как и в схеме однополупериодного выпрямителя, постоянная составляющая в раз меньше амплитуды общего напряжения на вторичной обмотке трансформатора (между зажимами а и b). Выпрямленное напряжение теперь не содержит основной гармоники — частоты питающего напряжения (рис. 23-4, б). Действующее значение выпрямленного напряжения (рис. 23-4, б) равно действующему напряжению одной фазы (между точками а и О или О и b).

Фильтр, не пропускающий высшие гармоники, применяемый для сглаживания напряжения в этом случае должен быть рассчитан на частоты, начиная со второй гармоники и выше.

Для двухполупериодного выпрямления широко применяются мостовые схемы. На рис. 23-5, а изображена принципиальная схема мостового выпрямителя. К зажимам моста, составленного из четырех вентилей, приложено синусоидальное напряжение . В течение первой половины периода (рис. 23-5, б) напряжение положительно, ток протекает через вентиль 1 в направлении а к , через сопротивление и вентиль 3 в направлении от к b. Напряжение на вентилях 1 и 3, пропускающих ток в этом направлении,

практически равно нулю, и, следовательно, оно полностью ложится на каждый из вентилей 2 и 4, не проводящих ток в направлении от к b и от а к . Таким образом, в течение первой половины периода на рис. 23-5, б).

Рис. 23-5.

Во время второй половины периода напряжение отрицательное. Теперь проводят ток вентили 2 и 4, а напряжение ложится полностью на непроводящие вентили 1 и 3. Таким образом, во время второй половины периода их.

Напряжение на сопротивлении нагрузки , так как при положительном , а при отрицательном Зависимость от времени показана на рис. 23-5, в.

Рис. 23-6.

Максимальное значение выпрямленного напряжения равно амплитуде переменного напряжения питания и, следовательно, постоянная составляющая выпрямленного напряжения на сопротивлении нагрузки раз меньше амплитуды напряжения питания схеме трехфазного выпрямителя (рис. 23-6), каждый из вентилей (кенотронов) пропускает ток только тогда, когда напряжение на обмотке данной фазы генератора или трансформатора выше, чем напряжение каждой из двух других фаз. На рис. 23-6 видно, что каждая из фаз пропускает ток в течение одной трети периода.

Напряжение на сопротивлении содержит постоянную состявляющую и высшие гармоники, кратные трем (приложение 1). Постоянная составляющая при идеальной характеристике вентиле равна где — амплитуда фазного напряжения. Выпрямленное напряжение содержит еще меньше высших гармоник чем в двух рассмотренных ранее схемах.

Рис. 23-7

Выше были рассмотрены только простейшие выпрямители, нагруженные на активные сопротивления, на практике при рассмотрении цепей выпрямителями обычно необходим учитывать кроме сопротивления также индуктивность и емкость фильт . В этих случаях при расчете токо можно пользоваться методами расчета переходных процессов и производить «припасовывание» решений, полученных для каждой из линейных участков характеристики вентиля.

Рассмотрим включение цепи, представленной на рис. 23-7 при нулевых начальных условиях. Характеристику вентиля приме; идеальной.

Пусть напряжение

и замыкание рубильника происходит при . Тогда сразу же после включения рубильника в сопротивлении и в емкости возникают токи

через вентиль проходит ток

В некоторый момент времени вентиль перестает пропуская ток так как напряжение на нем становится отрицательным и конденсатор начинает разряжаться на сопротивление нагрузки Для этого момента времени

откуда находим:

Начиная с момента ток

    (23-15)

разряд конденсатора происходит до того момента времени, когда отрицательное напряжение на вентиле снизится до нуля и вентиль начнет пропускать ток. Этому соответствует момент времени для которого

    (23-16)

Последнее уравнение аналитически не решается, и значение следует определить графически по точке пересечения кривых их и (рис.

Рис. 23-8.

Начиная с момента времени вентиль опять пропускает ток до тех пор, пока в момент времени вентиль снова не перестанет пропускать ток. Таким образом, в цепи почти сразу устанавливается периодический процесс с периодом Т. В интервале времени сопротивление вентиля бесконечно велико, а в течение времени его сопротивление равно нулю. Чем больше емкость С и больше сопротивление тем меньше переменная составляющая тока в сопротивлении . В идеальном случае, когда напряжение на конденсаторе устанавливается постоянным и равным

Рассмотренная простейшая схема выпрямителя с емкостью часто применяется в электронной технике. На этом принципе, например, основано амплитудное выпрямление, при котором выпрямленное напряжение равно максимальному значению переменного напряжения. На принципе амплитудного выпрямления основана работа электронного вольтметра, реагирующего на максимальное значение переменного напряжения (см. § 12-4).

Рис. 23-9.

Вентильные элементы широко применяются при обратном преобразовании модулированных колебаний (детектировании) с целью выделения модулирующего сигнала. Если, например, к цепи, изображенной на рис. 23-4, а, подвести модулированное по амплитуде напряжение (рис. 12-10, а), то в составе спектра выпрямленного напряжения будет основная гармоника, изменяющаяся с частотой ВВ (пунктир на рис. 23-9). Применением фильтра можно выделить эту гармонику и не пропустить ни постоянной составляющей, ни высших гармоник.