Краткие теоретические сведения

Под выпрямлением понимается процесс преобразования переменного тока в постоянный. Сущность выпрямления заключается в сохранении неизменным направления протекания тока в нагрузке вне зависимости от полярности входного напряжения. Устройства, которые осуществляют такое преобразование, называются выпрямителями.

Основой выпрямителя являются элементы с односторонней проводимостью - электрические вентили. В данной работе в качестве вентилей используются полупроводниковые (п/п) диоды. В состав выпрямителя, как правило, входят трансформатор, предназначенный для преобразования величины переменного напряжения, и сглаживающий фильтр, уменьшающий пульсации напряжения на нагрузке.

Конструктивно диод представляет собой кристалл с двумя слоями проводимости (p- и n- типа), заключенный в корпус и снабженный двумя выводами для присоединения во внешнюю цепь. “Односторонняя” проводимость диода обусловлена свойствами электронно-дырочного или p-n- перехода. Основным материалом для его изготовления служит кремний. Типичная вольт-амперная характеристика (ВАХ) выпрямительного диода приведена на рис.2.1. Здесь же приведена ВАХ идеального вентиля. Прямая ветвь характеристики I_пр = F(U_пр) показывает зависимость тока, проходящего через диод, при прямой (пропускной) полярности приложенного напряжения. Прямой ток (участок ОА) практически экспоненциально зависит от величины данного напряжения и может достигать больших значений при малом (~ 0,3-1В) падении напряжения на диоде.

Обратная ветвь характеристики I_обр = F(U_обр) соответствует “непроводящему” направлению тока через диод при обратной полярности напряжения, приложенного к нему. Обратный ток (участок OB) незначительно зависит от величины обратного напряжения. Однако при относительно большом его значении (точка B на характеристике) наступает электрический пробой p-n - перехода (участок BC),  при котором быстро увеличивается обратный ток, что может привести к тепловому пробою (участок CD) и разрушению диода.

9

Ошибка! Ошибка связи.

Рис.2.1. Вольт-амперные характеристики: выпрямительного диода (а) и идеального вентиля (б)

Основными параметрами выпрямительных диодов являются:

I_пр.ср - допустимое среднее значение за период (СЗП) выпрямленного прямого тока, проходящего через диод;

U_пр.ср   - СЗП прямого падения напряжения на диоде при прохождении через него допустимого тока;

U_обр.ср  - СЗП допустимого обратного напряжения;

I_обр.ср - СЗП обратного тока при допустимом обратном напряжении;

P_ср      - допустимая СЗП мощность, рассеиваемая диодом.

В тех случаях, когда требуется более высокое значение обратного напряжения, чем это допускается одним диодом, их соединяют последовательно, а при необходимости иметь значительные прямые токи диоды соединяют параллельно. В обоих случаях используют уравнительные резисторы, что обусловлено некоторым различием обратного и прямого сопротивлений у однотипных диодов.

На рис.2.2 представлены две схемы выпрямителей.

10

Ошибка! Ошибка связи.

Рис.2.2. Схемы однофазных выпрямителей:

а- однополупериодная; б- двухполупериодная

Простейшей является схема однополупериодного (однотактного) выпрямителя (рис.2.2, а). Применение таких схем в электронной аппаратуре ограничено из-за неэффективного использования силового трансформатора и выходного сглаживающего фильтра (см. ниже).

Среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке (постоянная составляющая) определяется интегралом за период

                  ,               (2.1)

где U₂ - действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, w - частота напряжения.

Схема на рис. 2.2,б относится к двухполупериодным (двухтактным) выпрямительным схемам, в которых ток через нагрузку протекает в течение обоих полупериодов питающего напряжения. Эта схема получила название выпрямителя мостового типа. Для него среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке вдвое больше, чем в однотактном выпрямителе

                   ,                (2.2)

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения, что в большинстве случаев является необходимым условием нормальной работы

11

электронной аппаратуры, между выпрямителем и нагрузкой включается сглаживающий фильтр. Простейшим фильтром является конденсатор сравнительно большой величины ёмкости (рис.3.3, а).

Временные диаграммы, представленные на рис.3.3, б, поясняют работу такой схемы. В момент времени t₁, когда амплитуда напряжения на вторичной обмотке трансформатора U_m2 возрастает и становится равной напряжению на конденсаторе U_c сглаживающего фильтра, открывается первая пара диодов (VD1 и VD3). Рабочий ток начинает протекать через нагрузку R_н, одновременно часть его i _зар осуществляет подзарядку конденсатора C ₀. В момент времени t₂ , когда напряжение U_m2, уменьшаясь, снова достигнет значения U_c  , диоды выключаются. До момента времени t₃ ток в нагрузке поддерживается благодаря разряду через него конденсатора. К этому моменту уже происходит смена полярности напряжения на входе в выпрямитель, и открывается вторая пара диодов(VD2 и VD4). Процесс повторяется.

             Ошибка! Ошибка связи.

Рис.2.3. Схема двухполупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы его работы (б)

Важной характеристикой качества выпрямления является коэффициент пульсаций напряжения на нагрузке

12

                                               ,                                             (2.3)

где U_оа - амплитуда напряжений пульсаций (см. рис.2.3, б) ; U_о- величина выпрямленного напряжения на нагрузке.

Применительно к схеме выпрямителя, представленной на рис. 2.3,а, коэффициент пульсаций можно рассчитать по следующей формуле:

                                            ,                                              (2.4)

где f - частота питания сети (50 Гц) ; R- сопротивление нагрузки; C_о- ёмкость конденсатора фильтра.