Общие положения

Для преобразования переменного тока в постоянный служат выпрямительные устройства. Основным элементом преобразователей является диод. Различают четыре основных схемы выпрямления: однополупериодная, мостовая двухполупериодная, трёхфазная и трёхфазная мостовая.

Однополупериодный выпрямитель

Работа однополупериодного выпрямителя (рис.36) рассматривается в предположении, что вентиль (диод) – идеальный, т.е. сопротивление диода в прямом направлении равно нулю, а в обратном – бесконечно велико. Здесь R_н – сопротивление нагрузки.

В течение первого полупериода напряжения U₁, когда положительный потенциал приложен к аноду вентиля, он открыт и через нагрузочное сопротивление R_н пойдет ток i_н = i_в; при этом всё напряжение окажется приложенным к R_н (u_н = u₂). Во второй (отрицательный) полупериод синусоидального напряжения U₁ диод окажется включённым в обратном направлении, ток прекратится, и всё напряжение U₁ окажется приложенным к закрытому диоду.

Из временных диаграмм видно, что ток i_н и напряжение u_н  имеют пульсирующий характер и значительно отличаются от постоянных. Для однополупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения:

где I₀ и U₀ – средние значения (постоянные составляющие) выпрямленного тока и напряжения.

Для характеристики степени пульсации выпрямленного напряжения вводят коэффициент пульсации

где U_m гарм – амплитуда наибольшей гармоники, для однополупериодного выпрямителя эта гармоника имеет частоту, равную частоте питающей сети переменного тока.

Для однополупериодного выпрямителя К_пульс = 1,57.

О

I₀

сновным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота, а недостатками – большой коэффициент пульсаций и малые значения выпрямленного тока и напряжения. Поэтому значительно большее распространение получили двухполупериодные выпрямители, в которых выпрямленное напряжение создаётся в оба полупериода напряжения сети.

Двухполупериодный выпрямитель

Д

а)

вухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Распространение получил мостовой выпрямитель (рис.37).

Рис.37. Мостовой выпрямитель: а – схема; б – временные диаграммы

В положительный полупериод синусоидального напряжения сети (U₁), вентили 1 и 3 открыты, а вентили 2 и 4 закрыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима через вентиль 1 (ток I_в1), нагрузочный резистор R_н, вентиль 3 (ток I_в3) к нижнему зажиму.

В другой полупериод, когда верхний зажим имеет отрицательный потенциал по отношению к нижнему, вентили 1 и 3 закрыты, а вентили 2 и 4 открыты. Ток проходит от нижнего зажима через вентиль 2 (ток I_в2), нагрузочный резистор R_н, вентиль 4 (ток I_в4) к верхнему зажиму. При этом в течение всего периода ток I_н через резистор R_н и напряжение на нём имеют одно и то же направление.

Для рассматриваемого двухполупериодного выпрямителя справедливы следующие соотношения:

где U_m гарм – амплитуда наибольшей гармоники, которая для двухполупериодного выпрямителя имеет частоту вдвое бóльшую, чем частота питающей сети.

Мостовой выпрямитель, по сравнению с однополупериодным, более эффективен: средние значения выпрямленного тока и напряжения у него в 2 раза больше, а пульсации значительно меньше.

Коэффициент пульсаций напряжения К_пульс, питающего электронную аппаратуру, должен составлять доли процента. Двухполупериодный выпрямитель создает пульсирующее напряжение с К_пульс = 0,67. Для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами.

В трехфазной схеме выпрямления с нулевым проводом, (рис.38) напряжения в каждой фазе сдвинуты по отношению к друг другу на 120°. В любой момент времени действует лишь одна фаза, которая в это время имеет положительный наибольший потенциал относительно нулевой точки. Ток протекает через диод в течение 1/3 части периода выпрямляемого тока. Выпрямленный ток, являющийся суммарным током всех поочередно действующих фаз выпрямителя, имеет форму огибающей кривой.

Отношение выпрямленного напряжения на нагрузке к фазному напряжению составляет 1,17.

Рис.38. Трёхфазная схема выпрямления с нулевым проводом

В трёхфазной мостовой схеме выпрямления (рис.39) ток в любой момент времени протекает через два последовательно соединенных диода и сопротивление нагрузки.

Рис.39. Трёхфазная мостовая схема выпрямления

Постоянная составляющая напряжения на активной нагрузке U_н = 2,34 U_ф. Действующее значение тока диодов составляет 0,58 от постоянной составляющей тока нагрузки.