Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Недостатками этого выпрямителя являются: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения. Вместе с тем, следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что в свою очередь снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя.

Диод в выпрямителе является основным элементом, поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. При выборе типа диодов необходимо знать:

– среднее значение прямого тока ;

– максимальное обратное напряжение на диоде . Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется, чтобы каталожные параметры превышали рассчитанные значения примерно на 30%. Отметим, что при выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает для одного диода, можно включать последовательно два или несколько однотипных диодов. Однако эти диоды должны быть зашунтированы сопротивлением, примерно равным

Промышленность выпускает полупроводниковые диодные столбы (например, КЦ 106, КЦ 201). Выпрямительный столб – это группа последовательно соединенных диодов, помешенных в общий корпус. Такие столбы выдерживают напряжения свыше 15 кВ.

Задачи

1. В однополупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора

2. В схеме однополупериодного выпрямителя задан диод КД208А с параметрами = 1,5 А и = 100 В. Определить максимальное напряжение

3. Определить среднее и максимальное значение прямого тока, а также максимальное обратное напряжение полупроводникового диода в однополупериодном выпрямителе (рисунок 2.1 а) и коэффициент трансформации трансформатора, если на нагрузочном резисторе сопротивлением = 3 кОм среднее значение выпрямленного напряжения =180 В. Напряжение сети

4. Определить амплитуду тока в нагрузочном резисторе сопротивлением = 2,5 кОм однополупериодного выпрямителя (рисунок 2.1 а), если напряжение на первичной обмотке трансформатора В, коэффициент трансформации п = 0,4. Сопротивление диода в прямом направлении считать равными нулю.

5. Для питания постоянным током потребителя мощностью 250 Вт при напряжении

Вопросы к практическому занятию

1. Из чего состоит однополупериодный выпрямитель?

2. Приведите соотношения между входным напряжением выпрямителя и его средним значением.

3. Пояснить связь между действующим значением тока выпрямителя и его постоянной составляющей.

4. Что называется коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения?

5. Чему равен коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя?

6. Какое условие используется при выборе диодов после расчета однополупериодного выпрямителя?

7. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

8. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя.

Практическое занятие 3

Выпрямитель(зад)

ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

по теме: Выпрямители и стабилизаторы

Задача 1. Расчет однополупериодного выпрямителя

Д

R_пр =0; V_пр=0; I_обр =0

Дано: R_н =3 кОМ

V_н =180 В

V₁ =220 В

Найти: I_пр.ср =? I_прmax=?

V_обрmax =? K_тр =?

Решение:

Предварительно рассмотрим токи и напряжения в зависимости от времени на разных участках схемы

Ток нагрузки это среднее значение тока

I_н =I_пр.ср= V_н/R_н = 180/3000 = 60*10^-3 [А]=60 [мA]

Максимальное или амплитудное значение тока через диод

I_прmax=  *I_пр.ср = *60 =188мA

Максимальное напряжение действующее на закрытый диод

V_обрmax =  * V_н = *180 =565В

Для определения к-та трансформации нужно перейти к действующим значениям –

действующее значение напряжения U₂.

V₂ = V_обрmax /= 565/ 400 [B]

Коэффициент трансформации трансформатора

K_тр = V₁ /V₂ = 220/400  0,55

Задача 2. Расчет мостовой схемы

Диоды идеальные:

Дано: R_н =600 Ом I_н =300 _MA,

V₁ =220 B

Выбрать диоды и рассчитать коэффициент трансформации K_тр =?

Решение:

Также как и в предыдущей задаче предварительно рассмотрим токи и напряжения на отдельных участках схемы

Напряжение на нагрузке

V_{н =}R_н I_н =600*0,3=180 B

Ветви VД1- VД3 и VД2- VД4 работают поочередно и ток в ветвях поровну делится между диодами, поэтому:

V_{обр.max =} (/2) *V_н = (/2) *180 =282 B;

I_{пр.ср =} I_н/2 = 300/2 =150 мA

Подбор диода осуществляется по V_обр.max и I_{пр.ср.max}

I_{пр.ср.max} =  *I_пр.ср =3,14*150=471мA ≈0,5A

Полученным значениям удовлетвлряет диод КД 205 В.

Для определения К_тр необходимо определить действующее напряжение вторичной обмотки трансформатора V₂

V₂ =V_обр.max /=282/ =200 B;

К_тр =V₁/V₂= 220/200 =1,1

Как видно из расчета вторичная обмотка содержит вдвое меньше витков, следовательно он немного легче и имеет несколько меньшие габариты.

Задача 3. Расчет двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки трансформатора

Р

1.2. Основные схемы выпрямления Однофазная, однополупериодная схема

Однофазную, однополупериодную схему (рис. 1.2, а) обычно применяют при выпрямленных токах до нескольких десятков миллиампер и в тех случаях, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения. Эта схема характеризу­ется низким коэффициентом использования трансформатора по мощности и большими пульсациями выпрямленного напряжения.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу однополупериодного выпрямителя на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентиле, представлены на рис. 1.2,б. Индуктивностью рассеяния трансформатора пренебрегаем, как это обычно допускается в выпрямителях малой мощности [2].

а) б)

Рис. 1.2. Однофазная, однополупериодная схема выпрямления (а) и

диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Под действием ЭДС вторичной обмотки ток в цепи нагрузкиможет проходить только в течение тех полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. Диод пропускает токв первый полупериод, во второй полупериод, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю. Выпрямленное напряжениев любой момент времени меньше ЭДС вторичной обмотки, так как часть напряжения теряется на активных сопротивлениях трансформатора и открытого вентиля (учитывается сопротивлениемr). Максимальное обратное напряжение на вентиле , как видно из рис. 1.2,б, достигает амплитудного значения ЭДС вторичной обмотки.

Диаграмма первичного тока трансформатора подобна диаграмме вторичного тока, если пренебречь током намагничивания и исключить из него постоянную составляющую , которая в первичную обмоткуне трансформируется. В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается добавочный постоянный магнитный поток, насыщающий сердечник. Это явление называют – вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора постоянной составляющей тока, которое является главным недостатком этой схемы. В результате насыщения намагничивающий ток трансформатора возрастает в несколько раз по сравнению с током в нормальном режиме намагничивания сердечника. Возрастание намагничивающего тока обусловливает увеличение сечения провода первичной обмотки, следствием чего являются завышенные размеры трансформатора и габариты выпрямителя в целом [2].

Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравне­нию с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.

а) б)

Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD₁ и VD₂. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w₂₁ и w₂₂ находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD₁ и VD₂ проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₁ и ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмоткуw₂₁ трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD₂, ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмоткуw₂₂ трансформатора, причем в цепи нагрузки ток проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток ив сердечнике трансформаторанет вынужденного подмагничивания [2].

Рассмотрим расчет коэффи­циента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой [3].

Выходное напряжение снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке

,

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.

Среднее значение тока через нагрузку

Поскольку ток протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит

,

Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то

Величина при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора

Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора

; ;;

Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой

Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.

Порядок расчета выпрямительных схем

4

Для электропитания современной радиоэлектронной аппаратуры наиболее часто применяются выпрямители однофазного переменного тока, работающие в режиме двухполупериодного выпрямления и схемы с удвоением или умножением выпрямленного напряжения (рис. 1). Обычно на выходе таких выпрямителей включаются сглаживающие фильтры, первичным элементом которых является конденсатор, что определяет емкостной характер нагрузки выпрямителя.

а)

Рис. 1. Основные схемы однофазных двухполупериодных выпрямителей:

а) схема со средней точкой; б) мостовая схема; в) схема с удвоением напряжения

Наиболее широкое распространение в выпрямителях находят полупроводниковые вентили — главным образом, кремниевые диоды. Они используются для выпрямленных напряжений до 400500 В при силе тока до нескольких ампер. Полупроводниковые вентили по эксплуатационной надежности и сроку службы значительно превосходят все остальные типы вентилей; удобнее всего использовать полупроводниковые вентили в мостовой схеме (рис. 1, б). Выпрямитель, собранный по этой схеме, обеспечивает двухполупериодное выпрямление и обладает всеми преимуществами схемы со средней точкой. Вместе с тем, конструкция выпрямителя упрощается, так как размеры и масса трансформатора уменьшаются вследствие лучшего использования обмоток по току. Кроме того, обратное напряжение на вентиле в мостовой схеме меньше, чем в схеме со средней точкой. Необходимость использования в схеме четырех вентилей вместо двух является недостатком мостовой схемы, поэтому наиболее целесообразно применять ее с полупроводниковыми диодами, имеющими небольшие габариты и массу.

Для повышения выпрямленного напряжения на нагрузке при заданном напряжении на вторичной обмотке трансформатора или при отсутствии силового трансформатора с необходимым коэффициентом трансформации применяют схемы выпрямления с удвоением или умножением напряжения. Такие схемы позволяют получить выпрямленное напряжение порядка 1000 В и выше. Одна из наиболее распространенных схем с удвоением напряжения приведена на рис. 1, в.

Выпрямители с емкостной реакцией нагрузки (с емкостным фильтром) применяются в источниках электропитания малой мощности и током, не превышающим обычно 1 А. Основными исходными данными для расчета являются:

— номинальное выпрямленное напряжение U₀;

— выходная мощность Р₀ = U₀I₀;

— частота сети f_с;

— относительные отклонения напряжения сети в сторону повышения _max;

— коэффициент пульсации к_п.

В результате расчета требуется определить тип и параметры вентилей, режим работы схемы (токи, напряжения, КПД), емкость и тип конденсатора, нагружающего выпрямитель (первый элемент фильтра).

Расчет проводим в следующем порядке.

1. Выбираем схему выпрямления.

2. По табл. 1 определяем ориентировочные значения параметров вентилей U_обр, I_прср, I_пр, а также габаритную мощность трансформатора Р_габ

Для ориентировочного определения этих параметров следует задаться значениями вспомогательных коэффициентов В и D:

1) для двухполупериодной схемы (со средней точкой) и мостовой схемы: В = 0,951,1; D = 2,12,2;

2) для схемы с удвоением напряжения В = 0,951,1; D = 2,052,1.

Амплитуду обратного напряжения на вентиле определяют по максимальному значению выпрямленного напряжения

3. Выбираем тип вентилей. При этом необходимо выполнить условия:

Параметры выпрямленных диодов U_{oбр max}, I_{прср max} и U_пр определяются по

таблице 2.

Таблица 1

Основные параметры однофазных двухполупериодных схем выпрямления,

работающих на емкость

Примечание: U₂ — действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора; U_обр — амплитуда обратного напряжения на вентиле; I_прср — средний выпрямленный (прямой) ток через вентиль; I_пр — действующие значения выпрямленного тока через вентиль; I_прm — амплитуда выпрямленного тока через вентиль; I₁ и I₂ — действующие значения тока первичной и вторичной обмоток трансформатора; W₁ и W₂ — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора; S_тр — полная мощность вторичной обмотки трансформатора; S₁ — полная мощность первичной обмотки трансформатора; Р_габ — полная (габаритная) мощность трансформатора; К_п — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения; f_п — частота пульсации выпрямленного напряжения; r — активное сопротивление фазы выпрямителя; r_пр — сопротивление вентиля в прямом направлении; B, F, D, H — вспомогательные коэффициенты, определяемые по рис. 2, 3; С — нагрузочная емкость выпрямителя.

Таблица 2

Расчет двухполупериодного выпрямителя — КиберПедия

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-18, ПК-45

Теоретическая часть

Двухполупериодный выпрямитель. Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовыми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети. Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рисунок 3.1а).Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор . Каждая пара диодов VD1, VD4 и VD2, VD3 работает поочередно.

Диоды VD1, VD4 открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора (интервал времени 0 – Т/2). При этом в нагрузочном резисторе появляется ток . В этом интервале диоды VD2, VD3 закрыты.

В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 – Т) диоды VD2, VD3 открыты, а диоды VD1, VD4 закрыты. В оба полупериода через нагрузочный резистор протекает ток, имеющий одно и то же направление.

а)

б)

Рисунок 3.1

Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для средних значений выпрямленных напряжений и токов:

, (3.1)

.

Средний ток каждого диода:

.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

. (3.2)

Максимальное обратное напряжение на диодах

.

Максимальный прямой ток диода

.

Коэффициент пульсаций можно получить из разложения в ряд Фурье выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя:

,

.

Частота основной гармоники .

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие пре­имущества: средние значения выпрямленных тока и напряжения , в 2 раза больше, а пульсации значительно меньше.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из за­крытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки вклю­чены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т.е. . Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения числа диодов в 4 раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

Промышленность выпускает полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Задачи

1. Какое напряжение покажет вольтметр магнитоэлектрической системы (рисунок 3.2), если В.

Рисунок 3.2

2. В двухполупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора В, сопротивление нагрузки =130 Ом. Определить и , а также параметры необходимых диодов.

3. Определить ток нагрузочного резистора =120 Оммостового выпрямителя, если напряжение вторичной обмотки =50 В, а прямое сопротивление каждого полупроводникового диода = 10 Ом.

4. Для схемы двухполупериодного выпрямителя с индуктивным сглаживающим фильтром определить коэффициент сглаживания, если известно, что амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора В, выпрямленный ток, проходящий через нагрузку равен 200 мА, частота сети f = 50 Гц, индуктивность дросселя L_ф = 10 Гн.

5. Для мостовой схемы выпрямителя (диоды считать идеальными) известно сопротивление нагрузки = 600 Ом и ток через этот резистор = 300 мА. Напряжение В. Требуется выбрать диоды и рассчитать коэффициент трансформации.

6. Для питания постоянным током потребителя мощностью 800 Вт при напряжении U_d= 100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора, подобрав диоды из справочника. Указать допустимые параметры выбранных диодов.

Вопросы к практическому занятию

1. Из чего состоит двухполупериодный выпрямитель?

2. Приведите соотношения между входным напряжением выпрямителя и средним его значением.

3. Поясните связь между действующим значением тока выпрямителя и его постоянной составляющей.

4. Чему равен коэффициент пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

5. Как определяется частота пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

6. Перечислите достоинства двухполупериодного выпрямителя в сравнении с однополупериодным?

7. Как отразится на работе мостового выпрямителя обрыв одного из диодов?

8. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

9. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя.

Практическое занятие 4

Выпрямители: Трехфазный однополупериодный выпрямитель — Club155.ru

Схемы выпрямителей, работающих от трехфазной сети переменного тока, строятся по тем же принципам, что и однофазные выпрямители. Для получения схемы трехфазного однополупериодного выпрямления необходимо использовать три однополупериодных выпрямителя, питающих единую нагрузку, но запитываемых от трех фаз источника входного напряжения со средней точкой (рис. 3.4-11). При таком включении для каждого из трех источников напряжения характерно то, что ток из него поступает в нагрузку только во время одного из двух полупериодов колебаний напряжения (точнее в течение части времени этого полупериода). Три диода выпрямителя открываются по очереди в течение одной трети периода колебаний входного напряжения каждый.

Рис. 3.4-11. Трехфазный однополупериодный выпрямитель

При рассмотрении схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя для расчета среднего напряжения нагрузки использовалась формула:

\( U_{н ср} = \cfrac{2}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T/2} U_{вх max} \sin{(\omega t)} \operatorname{d}t = \cfrac{2}{T} {\huge \int \normalsize}_{-T/4}^{T/4} U_{вх max} \cos{(\omega t)} \operatorname{d}t\)  

Не трудно показать, что если в общем случае за период колебания входного напряжения \(T\) будут последовательно (но не одновременно) проводить ток \(n\) диодов, то:

 \( U_{н ср \Sigma} = \cfrac{n}{T} {\huge \int \normalsize}_{-T/2n}^{T/2n} U_{вх max} \cos{(\omega t)} \operatorname{d}t\) 

При этом первой из присутствующих на выходе гармоник переменного напряжения будет гармоника с номером \(n\), т.е. основная частота пульсаций на выходе выпрямителя будет в \(n\) раз выше частоты колебаний входного напряжения.

Используя приведенную формулу и проведя разложение выходного напряжения выпрямителя в ряд Фурье, можно получить обобщенные выражения для среднего значения выходного напряжения (\(U_{н ср}\)), амплитуды первой из присутствующих гармоник (\(U_{max 01}\)) и коэффициента пульсаций выпрямителя (\(K_п\)).

\( U_{н рс} = \cfrac{n \cdot U_{вх max}}{\pi} \sin{(\pi / n)}     U_{max 01} = \cfrac{2 \cdot U_{н ср}}{n^2 -1}     K_п = \cfrac{2}{n^2 — 1} \)     (3.4.3)

В случае трехфазного однополупериодного выпрямителя \(n = 3\) и согласно приведенных формул:

\( U_{н ср} = \cfrac{3 \cdot U_{вх ф max}}{\pi} \sin{(\pi / 3)} \approx 0,827 \cdot U_{вх ф max}     K_п = \cfrac{2}{3^2 — 1} = 0,25 \) 

Здесь \(U_{вх ф max}\) — амплитуда фазного напряжения на входе выпрямителя. Основная частота пульсаций выходного напряжения равна утроенной частоте входного сигнала.

Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения на входе выпрямителя, т.е.:

\( U_{обр max} = U_{вх л max} = \sqrt{3} \cdot U_{вх ф max} \approx 2,1 \cdot U_{н ср}\) 

К недостаткам данной схемы следует отнести плохое использование трансформатора, который работает с подмагничиванием постоянным током (это явление описывалось при рассмотрении однофазного однополупериодного выпрямителя), и повышенное обратное напряжение на диодах.