4.3. Работа выпрямителя на ёмкостный фильтр

Схема однофазного мостового выпрямителя малой мощности представлена на рис. 4.2, временные диаграммы токов и напряжений на рис. 4.3. Работа выпрямителя в установившемся режиме характеризуется двумя интервалами - интервалом заряда конденсатора, когда ЭДС вторичной обмотки трансформатора больше напряжения на конденсаторе С и через диодыVD1,VD4 (VD2,VD3) проходит ток, и интервалом разряда конденсатора на сопротивление нагрузки, когда ЭДС вторичной обмотки трансформатора меньше напряжения на конденсаторе С и ток через диоды не проходит.

Рис. 4.2. Однофазный мостовой выпрямитель при активно-емкостной нагрузке

Напряжение на конденсаторе в период заряда повышается, а в период разряда понижается. Половину интервала, в течение которого через диоды протекает ток, принято называть углом отсечки . В мостовой схеме полный цикл заряда конденсатора происходит за половину периода питающего напряжения. В результате кривая выпрямленного напряжения получается сглаженной.

Для вывода основных расчетных соотношений применим упрощенную методику анализа, полагая, что величина емкости конденсатора бесконечно велика. При таком допущении пульсации выпрямленного напряжения отсутствуют, напряжение на конденсаторе остается неизменным, равным U_d. Такой режим возникает при работе выпрямителя на противо ЭДС при заряде аккумулятора.

Пульсирующий ток i’при принятых допущениях распределится по параллельным ветвям следующим образом: переменная составляющая пройдет через конденсатор, представляющий бесконечно малое сопротивление для всех гармоник тока, а постоянная составляющая – через нагрузкуR_н. Ток нагрузки будет постоянным по величине, равным среднему значению пульсирующего токаi’.

В период заряда конденсатора (-) ток в диодах

,

где и, а.

Ток нагрузки

. (4.6)

Подставляя в выражение (4.6) значение , получим

. (4.7)

Величина А() в выражении (4.7) является функцией угла отсечки

. (4.8)

Численное значение функции можно определить из выражения

,

где величина R_нобычно известна, аrвыбирается ориентировочно, в зависимости от мощности трансформатора и типа вентилей выпрямителя.

Все основные электрические параметры схемы могут быть выражены как функции угла отсечки либо величины А().

Максимальное значение тока в диоде ,

где .

Рис. 4.3. Временные диаграммы токов и напряжений мостового выпрямителя

при работе на активно-ёмкостную нагрузку

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

,

где .

Действующее значение ЭДС вторичной обмотки ,

где .

Мощность вторичной обмотки трансформатора

.

Мощность S₂максимальна при= 37⁰, поэтому следует выбирать режимы работы выпрямителя при значении угла= 35…45⁰, что соответствуетА() = 0,1…0,2. При этом мощность вторичной обмоткиS₂и типовая мощность трансформатораS_Тбудут равны.

4.4. Схемы с умножением напряжения

Выпрямители с емкостным фильтром позволяют реализовать схемы с умножением напряжения, в результате чего можно получать удвоенное, утроенное и т.д. напряжение по сравнению с напряжением однополупериодного выпрямителя.

Принцип работы схем с умножением напряжения основан на использовании нескольких конденсаторов, каждый из которых заряжается от одной и той же обмотки трансформатора через соответствующий диод. По отношению к нагрузке конденсаторы оказываются включенными последовательно, и их напряжения суммируются. Схемы умножения можно использовать и с прямым включением в сеть переменного тока. Различают симметричные и несимметричные схемы умножения напряжения.

Симметричная схема удвоения напряжения (рис. 4.4, а) состоит из двух однополупериодных выпрямителей. Конденсатор С1 заряжается через диод VD1 во время первой полуволны ЭДС е₂, а конденсатор С2 - через диодVD2 во время второй полуволны ЭДС е₂. При равенстве емкостей конденсаторов С1 и С2 напряжение на нагрузке при холостом ходе равно удвоенному значению напряжения на конденсаторе. В реальных условиях (под нагрузкой) в связи с тем, что заряд одного конденсатора сопровождается одновременным разрядом другого через сопротивление нагрузки, это напряжение становится меньше.

Пульсации выпрямленного напряжения (рис. 4.4, б) имеют удвоенную частоту по отношению к частоте питающего напряжения. При холостом ходе среднее значение выпрямленного напряжения

. (4.9)

Рассчитывать такой выпрямитель можно по упрощенной методике, рассмотренной выше. В этом случае расчетное напряжение необходимо брать вдвое меньше напряжения на нагрузке, величины функций B(),D(),F()определять приm_п=1, а величину функцииH()- приm_п=2.

Рис. 4.4. Симметричная схема удвоения напряжения (а) и временные диаграммы токов и напряжений (б)

Максимальное значение обратного напряжения на диоде в симметричной схеме удвоения напряжения равно среднему значению выпрямленного напряжения.

В несимметричной схеме удвоения (рис. 4.5, а) два однополупериодных выпрямителя питаются от разных по величине напряжений.

В первый полупериод заряжается конденсатор С1 через диод VD1 под действием ЭДС е₂, во второй полупериод – конденсатор С2 через диодVD2 под действием суммы ЭДС е₂иu_C1, совпадающий по направлению. В результате напряжение на конденсаторе С2 при холостом ходе оказывается в два раза выше, чем на конденсаторе С1. Обратные напряжения на диодах при холостом ходе достигают удвоенной амплитуды ЭДС вторичной обмотки трансформатора. Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте напряжения в питающей сети. Так как один из выводов обмотки трансформатора соединен с отрицательным полюсом нагрузки, то его можно заземлить, что является положительным свойством схемы.

Дальнейшим развитием несимметричной схемы удвоения напряжения является схема умножения напряжения (рис. 4.5, б), в которой добавлены цепочки из диодов и конденсаторов VD3-C3,VD4-C4 и т.д. Здесь на конденсаторе С1 при холостом ходе напряжение равноЕ_2m, а на всех последующих конденсаторах 2Е_2m. Данная схема умножает напряжение источника в несколько раз.

Рис. 4.5. Несимметричные схемы умножения напряжения:

а удвоитель напряжения; бумножитель напряжения