Работа диода в выпрямительном режиме

Питание различных узлов электронной аппаратуры осуществляется постоянным током, в связи с этим часто возникает необходимость преобразования переменного тока в постоянный. Это преобразование осуществляется при помощи выпрямительных устройств, которые, как правило, состоят из трех элементов: трансформатора, электрического вентиля и сглаживающего фильтра.

С помощью транс­форматора изменяется значение переменного напряже­ния, получаемого от источника питания, с целью приве­дения его в соответствие со значением требуемого выпрямленного напряжения.

Выпрямление переменного тока осуществляется элек­трическим вентилем – прибором, который пропускает ток только в одном направлении.

Сглаживающие фильтры предназначены для умень­шения пульсации выпрямленного тока и напряжения на выходе выпрямительных устройств.

При выпрямлении переменного тока в зависимости от числа фаз питающей сети и характера нагрузки, а также требований, предъявляе­мых к выпрямленным току и напряжению, электрические вентили могут быть соединены по различным схемам.

При выпрямлении однофазного переменного тока простейшими схемами выпрямления являются одно- и двухполупериодные однотактные схемы.

Однотактными выпрямительными устройствами яв­ляются такие, в которых ток во вторичной обмотке транс­форматора в процессе выпрямления протекает только в одном направлении, в двухтактных выпрямительных уст­ройствах — в обоих направлениях.

Схема однотактного однофазного однополупериодного выпрямления представлена на рис.1. В качестве элек­трического вентиля в этой схеме используется полупро­водниковый диод.

При подаче переменного синусоидального напряжения на первичную обмотку согласующего трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки будет также переменным синусоидальным, т. е. .

Диод проводит электрический ток только в том слу­чае, когда его анод относительно катода имеет положи­тельный потенциал. Поэтому ток в цепи протекает толь­ко в одном направлении, т. е. в течение одной половины периода переменного напряжения. В результате этого ток в цепи нагрузки оказывается пульсирующим (неизмен­ным по направлению, но изменяющимся по значению) (рис.2). При этом амплитудное значение тока (относительно не­большим сопротивлением диода в прямом направлении можно пренебречь).

R_н – сопротивление потребителя электроэнергии (на­грузки).

Кривая получаемого в процессе однополупериодного выпрямления пульсирующего тока может быть разложе­на в гармонический ряд Фурье:

.

Из приведенного выражения следует, что пульсиру­ющий ток при однополупериодном выпрямлении, кроме переменных составляющих различных амплитуд и частот, содержит также и постоянную составляющую .При этом постоянную составляющую напряжения на нагрузке можно приближенно определить выражением

.

Выражая среднее значение выпрямленного напряже­ния через действующее значение напряжения на вторич­ной обмотке трансформатора, имеем

.

Качество выпрямителя характеризуется отношением постоянной составляющей U ₀ выпрямленного напряжения к действующему значению переменного напряжения U ₂. Чем больше значение этого отношения, тем выше качество схемы выпрямителя. Для однополупериодного выпрямления

.

Для оценки пульсаций вводится коэффициент пульсаций k, под которым понимается отношение амплитуды А_т наиболее выраженной гармони­ческой составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющей А ₀ тока или напряжения в выходной цепи выпрямителя:

Для однополупериодного выпрямления с учетом гар­монических составляющих тока коэффициент пульсаций .

К недостаткам однополупериодной схемы выпрямле­ния следует отнести значительные пульсации выпрямлен­ных тока и напряжения. Выпрямители подобного типа применяются главным образом в маломощных установках, когда вы­прямленный ток мал, а достаточно удовлетворительное сглаживание пульсаций может быть обеспечено с по­мощью фильтра.

На практике обычно используют различные схемы двухполупериодных выпрямителей. Наиболее распространенными являются схема с выводом от середины вторичной обмотки трансформатора (рис. 3,а) и мостовая (рис. 3,б).

Схема рис.3,а представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагруз­кой. При этом напряжение и₂ на каждой половине вто­ричной обмотки трансформатора можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения,

соидальных напряжения, сдвинутых от­носительно друг друга по фа­зе на угол 180° (рис.4,а). Так как каждый диод проводит ток только в течение той поло­вины периода, когда анод его становится положитель­ным относительно катода, то нетрудно видеть, что при положительной полуволне проводить ток будет диод VD 1, диод VD 2 при этом будет закрыт. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводящим становится диод VD 2, а диод VD 1 пропускать ток не будет, так как его анод по отношению к катоду при этом имеет отрицательный по­тенциал. Таким образом, диоды в схеме будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды на­пряжения на обмотках трансформатора. В результате диаграммы выпрямленных тока и напряжения на выходе выпрямительного устройства будут иметь вид, представленный на рис. 4,б,в.

Мостовая схема удобна тем, что не требует­ся трансформатор, имеющий отвод от середины вторичной обмотки. Четыре диода схемы образуют мост, к одной диагонали которого присоединяются кон­цы вторичной обмотки трансформатора, а к другой – нагрузка выпрямите­ля. Диоды работают поочередно попарно: при положительной полуволне на­пряжения U ₂, которая соответствует прямому напряжению диода VD 1, ток проходит через VD 1, нагрузку и VD 3, а при отрицательной полуволне напряжения U ₂, соответствующей прямому напряжению диода VD 2, ток проходит через VD 2, нагрузку и VD 4.

В обоих случаях ток через нагрузку будет проходить в одном и том же направлении при любой полярности напряжения источника (рис.4)

Кривую выпрямленного тока при двухполупериодном выпрямлении можно разложить в гармонический ряд Фурье:

При этом, также как и для схемы однополупериодного выпрямления, наряду с переменными составляющими гармонический ряд содержит и постоянную составляющую тока

.

Постоянная составляющая напряжения на нагрузке (среднее значение выпрямленного напряжения)

Как видно из полученного выражения, среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при двухполупериодной схеме увеличивается вдвое по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.

Выражая среднее значение выпрямленного напряже­ния на нагрузке через действующее значение напряжения на половине вторичной обмотки трансформатора, полу­чаем

Как следует из рис. 7.5, пульсации тока в двухполупериодной схеме значительно уменьшаются по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления. Коэффи­циент пульсации в данном случае

.

Рассмотренные схемы выпрямления имеют относи­тельно большие значения коэффициента пульсаций. Меж­ду тем для питания большей части электронной аппара­туры требуется выпрямленное напряжение с коэффи­циентом пульсации, не превышающим значений k = 0,002 …0,02.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения можно значительно снизить, если на выходе выпрямителя включить сглаживающий электрический фильтр. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатοр, включаемый параллельно слаботочной нагрузке (рис.5,а), и дроссель, включаемый последовательно с сильноточной нагрузкой (рис. 5,б).

Другие фильтры (комбинированные), представля­ющие собой сочетания из емкостных и индуктивных элементов, позволяют получить достаточно малые значения коэффициента пульсации.

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденса­тора фильтра С_ф (когда напряжение на выходе транс­форматора превышает напряжение на нагрузке) и после­дующей его разрядки на сопротивление нагрузки. Чем больше емкость конденсатора, тем меньше остаточные пульсации. При достаточно большой емкости можно получить прямую линию, соответствующую постоянному току, величина которого равна амплитуде выпрямляемого переменного тока (рис.6).

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр сос­тоит из индуктивной катушки – дросселя, включаемого последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает электродвижущая сила самоиндукции которая в силу закона электромагнитной индукции стремит­ся сгладить пульсации тока в цепи нагрузки, а, следова­тельно, и пульсации напряжения на ее зажимах. Индук­тивные фильтры обычно применяют в схемах выпрямле­ния с большими значениями выпрямленного тока, так как в этом случае увеличивается эффективность сглаживания.

Дата добавления: 2014-01-06