1.2. Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного однотактного выпрямителя приведена на рис. 2, временные диаграммы – на рис. 3.

Рис. 2. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя

Рис. 3. Временные диаграммы в однополупериодном выпрямителе

Диод VD открыт на интервалах, где u₂  0. Выпрямленное напряжение u_d представляет собой однополупериодную пульсирующую кривую. Ток i_d при активной нагрузке повторяет по форме напряжение u_d.

Из уравнения магнитного равновесия трансформатора, пренебрегая током холостого хода (намагничивания) и учитывая, что постоянная составляющая тока i₂ в первичную обмотку не трансформируется, получим для тока в первичной обмотке

.

Постоянная составляющая тока вторичной обмотки создает дополнительный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. При этом намагничивающий ток возрастает в несколько раз по сравнению с током, имеющим место в нормальном режиме. Возрастание намагничивающего тока связано в свою очередь c увеличением сечения провода первичной обмотки и габаритов трансформатора. Другой недостаток этой схемы – большая величина коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения.

Наличие реактивного элемента или источника электродвижущей силы (ЭДС) на стороне постоянного тока существенно изменяет режим работы выпрямителя.

Рассмотрим сначала работу простейшей схемы однополупериодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой (рис. 4). На интервале 0 < ωt < π индуктивность L₀ запасает энергию; на интервале  < ωt < π+θ, после того как напряжение u₂ приобретает отрицательную полярность, ток нагрузки продолжает протекать, поддерживаемый энергией, запасенной в индуктивности. Все это время диод VD открыт и к нагрузке приложено напряжение u₂. В результате в кривой напряжения u₀ появляется участок с отрицательной полярностью.

Рис. 4. Cхема однополупериодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой

Рис. 5. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя с индуктивной нагрузкой

Длительность интервала θ определяется постоянной времени цепи нагрузки  = L₀ R₀.

1.3. Двухполупериодный мостовой выпрямитель (схема Греца)

Схема однофазного двухтактного выпрямителя (мостовая схема или схема Греца) приведена на рис. 6, временные диаграммы – на рис. 7.

Рис. 6. Схема однофазного двухтактного выпрямителя

Рис. 7. Временные диаграммы схемы Греца

На интервале 0 ≤ ωt ≤ π под действием положительной полуволны напряжения u₂ открыты диоды VD1 и VD4, ток замыкается по контуру VD1R₀VD4Т. На интервале π ≤ ωt ≤ 2π открыты диоды VD2 и VD3, ток замыкается по контуру VD2R₀VD3Т.

Выходное напряжение u₀ имеет вид однополярных полуволн напряжения с частотой пульсаций, равной удвоенной частоте сети. Максимальное значение обратного напряжения на диоде не превышает амплитудного значения напряжения на вторичной обмотке трансформатора и по величине вдвое меньше, чем в схеме однотактного однополупериодного выпрямителя. Ток во вторичной обмотке трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях, поэтому постоянное подмагничивание трансформатора отсутствует.

Принцип действия однофазного двухтактного выпрямителя с активно-емкостной нагрузкой иллюстрируется рис. 8. При работе выпрямителя на нагрузку с емкостным характером имеют место два интервала постоянства структуры схемы: на одном (когда открыта пара диодов) напряжение вторичной обмотки трансформатора прикладывается к нагрузке, конденсатор заряжается; на другом (все диоды заперты) конденсатор разряжается через нагрузку. Условие отпирания диода (например, VD1): .

Рис. 8. Временные диаграммы схемы Греца с активно-емкостной нагрузкой

Соответственно, на интервале ωt₁ < ωt < ωt₂ открыт VD1, конденсатор заряжается, к нагрузке прикладывается напряжение u₂₁ за вычетом падений напряжений на вторичной обмотке трансформатора и диоде VD1. На интервале ωt₂ < ωt < ωt₃ оба диода заперты: VD1 – потому что u₂₁< u_c, а VD2 – потому что u₂₂< 0. Конденсатор разряжается через R_d, напряжение на нагрузке изменяется по экспоненте. Фильтрующие свойства конденсатора улучшаются с уменьшением нагрузки, так как при этом возрастает постоянная времени  = R₀C_0. В пределе при C₀   напряжение на нагрузке .

Для анализа процессов на интервале проводимости 2θ (θ – угол отсечки) примем, что напряжение на конденсаторе u_c = U_c(0) = const (рис. 9).

Рис. 9. Напряжение на конденсаторе активно-емкостной нагрузки

Тогда ток через диод

,

где – сопротивление вторичной обмотки трансформатора; – сопротивление диода в прямом направлении.

Учитывая, что на интервале ωt₁ < ωt < ωt₂

получим

.

Угол отсечки определяется числом фаз выпрямления и постоянной времени  = R₀C₀. С уменьшением θ амплитуда импульса тока через диод возрастает: при θ  0 I_am  . В практических схемах I_am = (3...8)I_0.