Однополупериодный однофазный выпрямитель с нагрузкой емкостного характера

Расчет выпрямителя с емкостным фильтром

Если к выходу выпрямителя параллельно нагрузке подключен конденсатор емкостью C₁ (рис. 2.1, а), то в течение части положительных полупериодов входного переменного напряжения импульсы тока диода заряжают С₁, а в течение остального времени периодов емкость отдает энергию во внешнюю цепь, разряжаясь через сопротивление нагрузки R_н. В схеме действуют как бы два источника: источник U₂. и емкость C₁. В общем случае напряжение на конденсаторе С₁ при его заряде от источника с э.д.с. U изменяется по закону

(2.1)

где ; - внутреннее сопротивление выпрямителя; - сопротивление диода в прямом направлении; и - сопротивления первичной и вторичной обмоток силового трансформатора; п = w₂/w₁ - коэффициент трансформации. Разряд конденсатора C₁ протекает по закону

, (2.2)

а

где ; - обратное сопротивление диода.

	б

Рис. 2.1.

а) диодный однофазный выпрямитель;

б) форма сигнала на выходе выпрямителя

Так как емкость С ₁ заряжается через малое сопротивление, то напряжение на емкости нарастает сравнительно быстро. Разряд же происходит через сопротивление R_н, которое обычно гораздо больше, чем внутреннее сопротивление выпрямителя. Поэтому емкость C ₁ не успевает заметно разрядиться за время паузы между импульсами тока диода. При конечной величине C ₁ в цепи устанавливается такой режим, при котором заряд, получаемый емкостью в течение положительного полупериода переменного напряжения, равен заряду, теряемому емкостью за период. Напряжение на нагрузке U₀, а, следовательно, и ток в нагрузке остаются практически неизменными.

Работу схемы можно пояснить диаграммами (рис. 2.1, б). В промежуток времени от t ₁ до t ₂ напряжение на конденсаторе U ₀больше напряжения источника переменного тока u ₂. Напряжение на диоде u_д = u ₂ - U ₀< 0, и диод заперт. Конденсатор разряжается на нагрузочное сопротивление с постоянной времени t_раз.. В момент времени t ₂ напряжение источника переменного тока становится равным напряжению на конденсаторе. При t > t ₂ -напряжение на диоде изменяет полярность (U_д > 0) и через диод начинает протекать ток от источника u ₂. Этот ток питает нагрузку и заряжает конденсатор с постоянной времени t_зар..

Напряжение конденсаторе растет до момента времени t₃, когда вновь наступает равенство напряжений u ₂ и U₀. При t > t₃ диод запирается и процесс повторяется сначала. Время протекания тока через диод в схеме рисунка 2.1,а меньше, чем в выпрямителе с чисто активной нагрузкой. Угол отсечки выпрямителя с емкостной нагрузкой q < 90° (при активной нагрузке q = 90°).

В общем случае в выпрямителях может иметь место нижняя или верхняя отсечка выпрямленного тока. Если ток заряда конденсатора не ограничен характеристикой диода, то имеется только нижняя отсечка выпрямленного тока, обусловленная напряжением U₀ на конденсаторе C ₁. Это напряжение часто называют напряжением смещения (имеется в виду смещение рабочей точки на характеристике диода влево от начала координат) (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Статические характеристики диода

Верхняя отсечка может возникнуть лишь в выпрямителе с диодом, обладающим резко выраженным участком тока насыщения (например, у кенотрона с вольфрамовым катодом).

Рассматривая процессы в выпрямителе со сглаживающей емкостью, можно определить все величины, характеризующие режим работы выпрямителя. Пусть напряжение на вторичной обмотке трансформатора . Из графика рисунка 2.3 следует, что в момент времени t ₁ (при wt = 0)

, (2.3)

где U ₀ - постоянная составляющая выпрямленного напряжения; Q - угол отсечки.

Считая , находим мгновенное значение тока, протекающего через диод в прямом направлении или

(2.4)

Рис. 2.3. Временные диаграммы работы диода

Tогда постоянная составляющая выпрямленного тока определится соотношением:

, (2.5)

, (2.6)

, (2.7)

где А = tg Q - Q; А - коэффициент, зависящий от угла отсечки Q.

Коэффициент А можно определить по заданным значениям I₀ и U₀

. (2.8)

Формула (2.8) показывает, что коэффициент А есть функция только угла отсечки Q. Зная А, можно определить Q и другие величины, характеризующие работу выпрямителя.

В установившемся режиме пульсации выпрямленного напряжения невелики. Для снижения уровня пульсаций емкость конденсатора С ₁ следует увеличивать. Однако слишком большая величина емкости C ₁ уменьшает время проводимости диода и приводит к значительным импульсам зарядного тока, которые могут превысить наибольший ток вентиля. Для большего сглаживания выпрямленного напряжения применяют специальные сглаживающие фильтры.

Мощность, рассеиваемая диодом, зависит от действующего значения проходящего через него пульсирующего тока и переменного напряжения на диоде. В положительный полупериод (полупериод прохождения тока через диод) напряжение вторичной обмотки противоположно по направлению напряжению на конденсаторе. Максимальное падение напряжения на диоде U_пр. в этом случае сравнительно невелико (рис. 2.4)

или . (2.9)

В отрицательный полупериод напряжение вторичной обмотки и напряжение на конденсаторе совпадают по направлению и мгновенная разность потенциалов на зажимах диода резко возрастает

.

При амплитудных значениях напряжения вторичной обмотки обратное напряжение на диоде максимально близко к удвоенной амплитуде выпрямляемого напряжения, то есть почти в 3 раза превышает его эффективное значение

Поэтому в схеме выпрямителя следует использовать диод, наибольшее обратное напряжение которого превышает величину .

Существенными недостатками однополупериодной схемы выпрямителя являются большая расчетная мощность трансформатора, намагничивание сердечника постоянной составляющей магнитного потока, высокое обратное напряжение на диоде, высокий уровень пульсаций выпрямленного напряжения. Однополупериодную схему целесообразно применять при построении маломощных высоковольтных выпрямителей (например, питание высоковольтных цепей электроннолучевых трубок). Эти схемы обычно работают на кенотроне с большим внутренним сопротивлением. Потери на внутреннем сопротивлении выпрямителя велики, что снижает общий кпд выпрямителя.

Дата добавления: 2017-01-14