Полупроводниковые выпрямители. Основные теоретические положения, страница 2

Отношение P_T к величине P_d  характеризует степень использования трансформатора. В данном случае, оно невелико, поскольку по вторичной обмотке проходит не только ток основной частоты, но и постоянная составляющая, а также токи высших гармоник из-за переключений диода.

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер. Степень сглаженности ее формы определяется с помощью разложения в ряд Фурье:

 

(9)

где u_Н – амплитудное значение напряжения на нагрузке.

Из уравнения (9) следует, что наиболее выраженная первая гармоника совпадает с частотой сети, и она равна:

 

Кривая напряжения U_Г достигает максимального значения один раз за период.

Степень сглаженности формы кривой напряжения на нагрузке характеризуется коэффициентом пульсации напряжения q:

 

Следовательно, амплитуда основной гармоники в 1,57 раза больше выпрямленного напряжения.

Единственным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота.

Проведенный анализ электрических параметров позволяет сделать вывод о недостатках выпрямителя:

большая величина пульсаций, малые значения выпрямительных тока и напряжения, низкий коэффициент использования  мощности  трансформатора, так как вторичная обмотка нагружена током только в течение полупериода.

Следовательно, ток проходит по вторичной обмотке в одном направлении (однотактная схема выпрямления).

Этим объясняется основной недостаток однополупериодного выпрямителя: ток вторичной обмотки имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается его магнитная проницаемость, что, в свою очередь, снижает индуктивность обмоток трансформатора, и приводит к росту холостого хода трансформатора, увеличению потерь, а, следовательно, снижается кпд всего выпрямителя.

Однополупериодный выпрямитель применяется при малых значениях P_Н, не более 10-15 Вт, допущении повышенной пульсации.

Величина пульсаций напряжения в схеме однополупериодного выпрямителя с фильтром низких частот на конденсаторе (рис. 1,б):   

 

(10)

где ¦ – частота  основной  гармоники  переменного  тока,  для  данной схемы: ¦ = 50 Гц;  R_НC³ 10T, где T– период напряжения U₂(t).

Из выражения (10) можно определить требуемую величину емкости конденсатора C при заданном значении пульсаций на известном сопротивлении нагрузки.

Предельный электрический режим диода в данной схеме характеризуется величиной U_ОБР, I_d.. Соответствующие паспортные данные диода должны превышать эти параметры.

2 Двухполупериодный однотактный выпрямитель

Двухполупериодный однотактный выпрямитель(рис. 2) использует две вторичные обмотки трансформатора, включенные согласно (или одну с выводом от средней точки).

В один из полупериодов открыт диод VD1, VD2закрыт. В другой полупериод VD1закрыт, VD2 открыт. Следовательно, через нагрузку в оба полупериода ток протекает в одном направлении (рис. 3).

Рис. 2 Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя

Рис. 3 Временные диаграммы напряжений

двухполупериодного однотактного выпрямителя

Выпрямитель представляет собой сочетание двух однополупериодных схем (рис. 1, а), работающих на одну общую нагрузку.

Основные характеристики схемы (при U_2.1 = U_2.2 = U₂): 

 

(11)

Следовательно:

Средневыпрямленный ток в нагрузке равен сумме аналогичных токов диодов:

 

(12)

где I_VD – среднее значение тока через диод.

С учетом выражений (11, 12) амплитудное значение тока через каждый диод равно:

 

Токи во вторичных обмотках трансформатора протекают поочередно, вследствие чего их использование неудовлетворительно, в каждой из них присутствует постоянная составляющая тока.

Ток нагрузки I_d создается суммой токов вторичных обмоток I₂, равных половине этого тока, следовательно, ток в каждой обмотке равен:

Типовая мощность трансформатора:

 

Уменьшение типовой мощности объясняется отсутствием намагничивания сердечника трансформатора постоянной составляющей токов вторичных обмоток, т.к. созданные ими магнитные потоки взаимно компенсируются.

Активная мощность, отдаваемая в нагрузку P и активная мощность, передаваемая в виде постоянной составляющей P_d:

 

Следовательно, в схеме выпрямителя значительная часть активной мощности передается в виде переменной составляющей, что свидетельствует о некачественном выпрямлении.

К закрытому диоду, например, VD1 прикладывается напряжение вторичной обмотки U_2.1, к которой он подключен, и второй обмотки U_2.2, через открытый диод VD2. Следовательно, величина обратного напряжения равна:

 

Выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер. Степень сглаженности ее формы определяется с помощью разложения в ряд Фурье:

 

(13)

Из уравнения (13) следует, что наиболее выраженная первая гармоника совпадает с частотой сети, и она равна:

 

(14)

Кривая напряжения U_Г достигает максимального значения два раза за период (рис. 3).

Для схем выпрямления с непрерывной формой кривой выпрямленного напряжения, отношение амплитуды любой гармонической пульсации порядка n к выпрямленному напряжению определяется по формуле:

 

(15)

где: n – номер гармоники из имеющихся в спектре сигнала; m – кратность частоты переменной составляющей выпрямленного напряжения к частоте сети (число фаз выпрямителя).

В уравнении (15) при определении интервала интегрирования учитывалось, что период повторяемости T кривой выпрямленного напряжения:

 

где: T_C – период частоты питающей сети.