Полупроводниковые выпрямители. Основные теоретические положения, страница 3

Согласно уравнению (15), для рассматриваемой схемы выпрямления коэффициент пульсации напряжения q:

 

что совпадает с ранее полученным значением коэффициента согласно уравнению (14) для первой гармоники из присутствующих в спектре сигнала (n=1).

Достоинства двухполупериодного однотактного выпрямителя по сравнению с однополупериодной схемой:

снижается значение среднего тока через диод в два раза при том же токе нагрузки, улучшается  режим работы трансформатора вследствие компенсации намагничивания сердечника, частота пульсаций и напряжение на нагрузке увеличиваются в два раза, снижается амплитуда пульсаций.

Недостатки схемы:

необходимость в тщательном подборе одинаковых вторичных обмоток трансформатора.

Область применения – датчики релейной защиты и автоматики, т.к. входной сигнал отличается от выходного только на величину падения напряжения на одном диоде (малая ошибка измерения). В то же время оценка величины входного сигнала осуществляется дважды за период, что повышает быстродействие в отличие от однополупериодного выпрямителя.

3 Мостовая схема выпрямления

В этой схеме используются обе полуволны питающего переменного напряжения. В течение положительного полупериода U₂открываются диоды VD2 и VD3. Ток проходит через VD2, VD3 и R_Н. При отрицательном полупериоде открываются диоды VD1  и VD4.

Через сопротивление нагрузки ток в любой момент времени протекает в одном направлении. Во вторичной обмотке трансформатора ток протекает в обоих направлениях. Преимущества мостовой схемы - низкий уровень пульсаций, более высокий коэффициент использования трансформатора. Недостаток – большое количество диодов.

Рис. 4 Схема однофазного мостового выпрямителя

Соотношения между параметрами нагрузки и выпрямителя аналогичны схеме двухполупериодного однотактного выпрямителя (за исключением обратного напряжения и типовой мощности):

Обратное напряжение:

 

Ток вторичной обмотки синусоидален:

 

Ток первичной обмотки повторяет по форме ток первичной обмотки:

 

Типовая мощность трансформатора:

 

коэффициент полезного действия , где  - потери в трансформаторе, а  - потери в диодах.

Область применения схемы – блоки питания малой мощности (бытовые приборы и т.д.).

4 Каскадная схема умножения напряжения

Схема применяется в установках прожигания изоляции и состоит из однокаскадных схем удвоения напряжения (рис. 4).

Рис. 5 Каскадная схема умножения напряжения

Однокаскадная схема удвоения напряжения содержит VD1, VD2, C1, С3. При отрицательной полуволне U₂ конденсатор C1 заряжается через диод VD1 до напряжения U_2M. Время заряда составляет четверть периода на временном интервале t₁ – t₂. Через VD2 ток не проходит. Однокаскадная схема удвоения напряжения содержит VD1, VD2, C1, С3. При отрицательной полуволне U₂ конденсатор C1заряжается через диод VD1 до напряжения U_2M. Время заряда составляет четверть периода на временном интервале t₁ – t₂. Ток через VD2 не проходит (рис. 6). Затем, диод VD1 закрывается, поскольку на временном интервале t₂ – t₃ напряжение на заряженном конденсаторе становится больше входного напряжения и прикладывается к этому диоду.

Рис. 6 Временная диаграмма работы каскадного умножителя напряжения

Конденсатор С3 заряжается через диод VD2 до напряжения, приблизительно равного сумме напряжений обмотки трансформатора и напряжения конденсатора C1, что составляет величину 2U_2M. Если параллельно C3 подключить сопротивление нагрузки R_Н, то на нем образуется удвоенное напряжение. На каждом последующем каскаде происходит удвоение напряжения.

Напряжение в нагрузке каскадной схемы умножения  U_Н = 2 n U_2M , где n - число однокаскадных схем. Такая схема позволяет получить напряжение, составляющее десятки киловольт без применения повышающих трансформаторов. Каскадная схема умножения используется при больших значениях сопротивления R_Н. Внутреннее сопротивление выпрямительной схемы умножения растет с увеличением числа последовательно   соединенных конденсаторов, поэтому токи нагрузки для таких схем обычно невелики.

Уровень пульсаций выпрямленного напряжения и уменьшение величины напряжения нагрузки пропорциональны проходящему по R_Н току.

5 Выбор диодов

Диод в выпрямителях является основным элементом. Поэтому они должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей, поскольку во многом определяют их основные показатели.

Основные эксплуатационные данные диодов:

Максимальный прямой ток I_ПР.MAX – предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через диод при его работе в однополупериодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного диода условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения);

Наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда)U_ОБР – обратное напряжение, которое диод выдерживает в течение длитель­ного времени. Как правило, напряжение U_ОБР равно половине напряжения пробоя;

Прямое падение напряжения U_ПР – среднее значение прямого напря­жения в однополупериодной схеме выпрямления, работаю­щей на активную нагрузку при номинальном токе. Производная dU_ПР/dI представляет собой дифференциальное прямое сопротивление диода R_Д;

Обратный ток 1_ОБР – значение тока, протекающего через  диод, при приложении к нему допустимого обратного напряжения;

Максимальная мощность P_MAX – максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна диодом.

Для того чтобы выпрямитель имел высокий коэффициент полезного действия, падение напряжения на диоде U_ПР при прямом токе I_ПР должно быть минимальным. Параметры предельных эксплуатационных данных диодов: максимальное обратное напряжение U_ОБР; максимальный прямой ток I_ПР.MAX, максимальная мощность P_MAX  должны соответствовать режиму работы выпрямителя.