Выпрямительные устройства

Выпрямители служат для преобразования переменного (синусоидального) напряжения в напряжение постоянного тока с помощью полупроводниковых выпрямительных диодов.

В схеме однополупериодного выпрямителя (рис. 2.28, а) ток Iн через диод проходит в нагрузку RH только в положительные полупериоды напряжения U2, так как в отрицательные полупериоды оно запирает диод. Ток в нагрузке (заштрихован) имеет прерывистый характер, а его постоянная составляющая I0 представляет собой среднее значение тока, протекающего за период, и создает на нагрузке постоянную составляющую напряжения, равную (согласно разложению функции в ряд Фурье):

где U2max и U2 – амплитудное и действующее значения синусоидального напряжения вторичной обмотки трансформатора. По заданному U0 можно найти U2 и определить необходимый коэффициент трансформации U1/U2 при известном напряжении U1 питающей сети переменного тока.

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение

поэтому диод выбирают так, чтобы его допустимое обратное напряжение удовлетворяло условию Uобр.доп ≥ πU0, а допустимый через диод прямой ток – условию Iср.доп > I0.

Схема двухполупериодного выпрямителя состоит из четырех диодов, включенных но так называемой мостовой схеме (рис. 2.28, б).

Рис. 2.28. Выпрямительные устройства и графики, поясняющие их работу:

а – однополупериодный выпрямитель; б – двухполупериодный выпрямитель

Напряжение U2 в положительный полупериод открывает диоды VD1 и VD3 и от точки А к точке В по цепи " VD1 – Rn–VD3" протекает ток нагрузкиПри этом диоды VD2 и VDA заперты.

В отрицательный полупериод напряжение U2 открывает диоды VD2 и VDA и токтечет от точки В к точке А по цепи "VD2–Rн– VD4", проходя по нагрузке в одном и том же направлении.

В этой схеме постоянные составляющие тока /0 и напряжения Uо в два раза выше, чем в однополупериодной схеме:

Оценим обратное напряжение, приложенное, например, к диоду VD2 в положительный полупериод напряжения U2.

При открытом диоде VDI потенциал точки А' близок к положительному потенциалу точки А обмотки трансформатора, а ее отрицательный потенциал точки В приложен к другому выводу диода VD2. Значит, к диоду VD2 приложено обратное напряжение вторичной обмотки трансформатора, т.е. такое же, как и в однополупериодной схеме.

Ток, протекающий через каждый из диодов,, т.е. в два раза меньше, чем в однополупериодном выпрямителе.

Пример 2.1. Найти параметры диодов и коэффициент трансформации трансформатора для мостовой схемы выпрямителя (см. рис. 2.28, б), если необходимо получить мощность в нагрузке Р0 = 600 Вт и напряжение U0 = 115 В при напряжении сети 220 В (нагрузка чисто активная).

Решение. Напряжение вторичной обмотки трансформатора должно быть

Следовательно, необходим понижающий трансформатор с коэффициентом трансформации К = 220 / 127 = 1,73.

Постоянный ток в нагрузке

Следовательно, необходимы диоды, допустимый ток которых , а допустимое обратное напряжение

Трехфазные выпрямители применяют при больших мощностях, так как они равномерно нагружают трехфазную сеть.

Вторичная обмотка трансформатора, соединенная звездой с нулевым проводом, подключена к нагрузке Rн через три диода (рис. 2.29, а). Ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода Т, когда напряжение фазной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. На рис. 2.29, в заштрихована форма напряжения, подаваемого к нагрузке, и имеющая значительно меньшие пульсации, чем в схемах рис. 2.28.

Рис. 2.29. Трехфазные выпрямители:

а – трансформаторный; б – бестрансформаторный; в – график, поясняющий работу выпрямителя

В трехфазном выпрямителе соотношения для чисто активной нагрузки таковы:

где U2mах и U2 – амплитудное и действующее значения фазного напряжения, а средний ток через диод

В бестрансформаторном трехфазном выпрямителе (рис. 2.29, б) соотношения для чисто активной нагрузки равны:

где Umax и U – амплитудное и действующее значения линейного напряжения сети, а средний ток через каждый из шести диодов

Пример 2.2. Чему равно выпрямленное напряжение бестрансформаторного трехфазного выпрямителя (см. рис. 2.29, б), подключенного к сети с линейным напряжением U = 380 В, и на какое обратное напряжение должны быть рассчитаны диоды?

Решение. Постоянное напряжение равноВ и диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение