Работа схемы однополупериодного выпрямителя
Выпрямитель – это устройство, преобразующее переменное разнополяр- ное напряжение в пульсирующее однополярное. Такое преобразование мож- но осуществить с помощью одного или нескольких вентилей – приборов с односторонней проводимостью, включенных по определенной схеме. Поскольку полупроводниковые диоды хорошо проводят ток в прямом направлении и плохо в обратном, то большинство полупроводниковых дио- дов применяется для выпрямления переменного тока. Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупери- одного выпрямителя (рисунок 1). Рассмотрим ее работу в предположении, что вход- ное напряжение изменяется по закону uвх =Um sin ωt (графики на рисунке 2 наглядно иллюстрируют про- цессы в выпрямителе). При положительной полуволнеuвх VD1
uд
iвых
R uвых (на интервале 0 < t < T/2) полупроводниковый диод VD1 смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном сопротивлении повторяют форму входного сигнала. При отрицатель- н
Рисунок 1 – Схема ной полуволне (на интервале T/2 < t < T) диод VD1 простейшего выпрямителя смещен в обратном направлении и напряжение (ток) в нагрузке равно нулю. Таким образом, через нагрузку проходит пульсирующий ток в виде импуль- сов, длящихся полпериода и разделенных паузами также в полпериода (см. рисунок 2, б). Этот ток называется выпрямленным. Он создает на Rн выпрям-
ленное напряжение uвых (см. рисунок 2, в). Как правило, сопротивление на- грузки во много раз больше сопротивления диода, и тогда нелинейностью ВАХ диода можно пренебречь. В этом случае выпрямленный ток iвых имеет форму импульсов, близкую к полусинусоиде с максимальным значением Im. График на рисунке 2, г изобра- жает напряжение на диоде. Это напряжение имеет несинусоидаль- ную форму (амплитуды положи- тельных и отрицательных полу- волн неодинаковы). Малое значе- ние падения напряжения на диоде при прямом включении объясняет- ся тем, что при прохождении пря- мого тока большая часть входного напряжения падает на нагрузочном сопротивлении (так как сопротив- ление нагрузки значительно пре- вышает сопротивление диода). При отрицательной полуволне все входное напряжение приложено к диоду (так как ток в нагрузке равен нулю) и является для него обрат- ным напряжением. Полезной частью выходного на- пряжения является его постоянная Рисунок 2 – Временные диаграммы работы выпрямителя составляющая, или среднее значе- ние Uср.При заданном входном на- пряжении uвх =Umsin ωt имеем = T ∫ = T/2 ∫ ωt dt = − U m T/2 U m U u dt U sin cosωt = π, (4) ср T вых T m T где Um – амплитуда входного напряжения. Используя соотношение, связы- вающее амплитудное Umи действующее U значения напряжения перемен- ного синусоидального тока U = Um2 , U 2U д.ср=π ≈ 0,45U . (5) По аналогии, предполагая, что амплитуда выпрямленного тока Im = Um/Rн,для среднего тока в нагрузочном сопротивлении можно записать I = 1T ∫ I sin I ωt dt = m ≈ 0,318 I . (6) ср 2π m π m
Среднее значение тока отдельного диода Iд. ср =Iср.Максимальное (ампли- тудное) значение тока отдельного вентиля Iд. max =π Iср.Максимальное обрат- ное напряжение на диоде Uд. обр =π Uср. Спектральный состав выпрямленного напряжения, полученный в ре- зультате разложения однополупериодных импульсов выпрямленного на- пряжения (рисунок 2, в) в ряд Фурье, имеет вид u вых=u0+ +u1u2 +… = π U
m + U
m sin ω − t π U
m ω − sin 2 t …, (7) где u0 – постоянная составляющая выходного (выпрямленного) напряжения; u1 – первая (основная) гармоника выходного напряжения; u2 – вторая гар- моника выходного напряжения и т. д. Коэффициент пульсации (3) для рассматриваемой схемы ε = U1m/Uср = 1,57. Как видно из вышеприведенных расчетов, однополупериодное выпрям- ление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленно- го напряжения и большое значение обратного напряжения на диоде, а пото- му находит ограниченное применение (при малых токах).
Сглаживающие фильтры Наличие переменной составляющей в выпрямленном напряжении всегда нежелательно. Для ее уменьшения, то есть для сглаживания пульсаций вы- прямленного напряжения, применяют специальные сглаживающие фильтры, которые включают между выпрямителем и активной нагрузкой. В основу сглаживающих фильтров заложены реактивные элементы – конденсаторы и дроссели, представляющие соответственно малое и большое сопротивление для переменного тока и, наоборот, большое и малое сопротивление для по- стоянного тока. При этом конденсаторы включаются в источниках питания параллельно нагрузке Rн,а дроссели – последовательно с ней. В источниках питания применяют четыре основных вида сглаживающих фильтров: емкост- ной, индуктивный, Г-образный и П-образный, LC-фильтры. Эффективность действия сглаживающего фильтра оценивают коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе: q = εвх/εвых. (8) Следовательно, чем больше коэффициент сглаживания, тем выше каче- ство выпрямления напряжения (оно имеет меньше пульсаций) и тем эффек- тивнее работает фильтр. Простейшим фильтром является емкостной фильтр (C-фильтр). Он состоит из конденсатора Cф,включаемого параллельно сопротивлению нагрузки (рису- нок 3). Работа фильтра основана на способности конденсатора быстро запасать электрическую энергию, а затем относительно медленно отдавать ее в нагрузку.
Включение конденсатора существенно изменяет условия работы диода. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что вы- полняется условие 1/(ωCф) << Rн. (9) Значение емкости конденсатора Cф для сети с частотой 50 Гц находится в диапазоне от 100 до 30000 мкФ и зависит от тока нагрузки и требуемой степени сглаживания. В течение некоторой части положительного полупериода, когда напря- жение на диоде прямое, через диод проходит ток, заряжающий конденсатор до напряжения, близкого к Um. В то время, когда ток через диод не прохо- дит, конденсатор разряжается через нагрузку Rн и создает на ней напряже- ние, которое постепенно снижается. В каждый следующий положительный полупериод конденсатор подзаряжается и его напряжение снова возрастает. Заряд конденсатора через сравнительно
uвх VD1 iд
uд
C ф
iвых
R нuвых малое сопротивление диода происходит быст- ро. Разряд на большое сопротивление нагруз- ки совершается гораздо медленнее. Вследст- вие этого напряжение на конденсаторе и включенной параллельно ему нагрузке пуль- сирует незначительно. Кроме того, конденса- тор резко повышает постоянную составляю- Рисунок 3 – Схема включения емкостного сглаживающего фильтра щую выпрямленного напряжения. При отсут- ствии конденсатора Uср = 0,318 Um, а при на- личии конденсатора достаточно большой емкости Uср приближается к Umи может быть равным (0,80 – 0,95)Umи даже выше. Таким образом, в однофазном однополупериодном выпрямителе конденсатор повышает выпрямленное на- пряжение примерно в 3 раза. Чем больше Сф и Rн,тем медленнее разряжается конденсатор, тем меньше пульсации и тем ближе Uср к Um. Если нагрузку во- обще отключить (режим холостого хода, то есть Rн =∞), то на конденсаторе получается постоянное напряжение без всяких пульсаций, равное Um. Работу выпрямителя со сглаживающим конденсатором иллюстрирует рису- нок 4, где приведены графики входного и выходного напряжений (на нагрузке) и тока через диод iд.Напряжение на конденсаторе приложено плюсом к катоду, минусом к аноду диода. Напряжение на диоде определяется разностью входного напряжения и напряжения конденсатора, так как значение напряжения на кон- денсаторе близко Um, напряжение на диоде становится прямым в некоторой части положительного полупериода (t1 – t2). На этом отрезке времени диод открыт и конденсатор заряжается (Uc = Um(1 – exp (–t / τзар)), где τзар =RпрСф – постоянная времени заряда, Rпр – сопротивление открытого диода). В течение остальной час- ти положительного полупериода и во время отрицательного полупериода напря- жение на диоде обратное (отрезок t2 … t3), диод закрыт, источник входного со-
2015-11-23 |
1047 |
Обсуждений (0) |
|
5.00
из
|
|
Обсуждение в статье: Работа схемы однополупериодного выпрямителя |
Обсуждений еще не было, будьте первым... ↓↓↓ |
Почему 1285321 студент выбрали МегаОбучалку...
Система поиска информации
Мобильная версия сайта
Удобная навигация
Нет шокирующей рекламы