5.4 Основные теоретические положения

Выпрямители – это устройства, преобразующие переменный ток в ток одного направления, т.е. осуществляющие выпрямление переменного тока.

Под выпрямлением переменного тока понимают процесс преобразования переменного тока в постоянный или пульсирующий.

В выпрямителях непосредственное преобразование переменного тока осуществляется с помощью нелинейных резистивных элементов с резко выраженной асимметрией характеристики (относительно начала координат), т.е. элементов с односторонней проводимостью, называемых электрическими вентилями.

Односторонней проводимостью обладают различные типы полупроводниковых диодов, которые часто называют выпрямительными диодами или вентилями.

На рисунке 5.2,а) представлена статическая вольт-амперная характеристика полупроводникового вентиля для мгновенных значений u и i.

Рисунок 5.2.

На рисунке 5.2,б) представлено схемное обозначение вентиля с указанием полярности приложенного напряжения, при котором вентиль открыт и аппроксимация вольт-амперной характеристики вентиля в виде ломаной линии (идеализированная ВАХ).

Работу диода рассмотрим, используя идеализированную ВАХ. При напряжении, приложенном к вентилю так, как изображено на рисунке 5.2, б), вентиль находится в открытом состоянии, его прямое сопротивление близко к нулю и через вентиль протекает ток, величина которого определяется только величиной сопротивления нагрузки включенной последовательно с вентилем. При смене полярности приложенного напряжения вентиль запирается, его сопротивление становится близким к бесконечности, ток через вентиль не течет. Именно это свойство вентиля позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Различают однополупериодную и двухполупериодную схемы выпрямления. Однополупериодной называется схема выпрямления, в которой за период переменного тока на выход выпрямительного устройства пропускается только одна полуволна синусоидального тока. На рисунке 5.3 представлена схема однофазного однополупериодного выпрямителя.

Рисунок 5.3

Схема состоит из одного вентиля V, включенного последовательно с приемником R_н в цепь вторичной обмотки однофазного трансформатора. При синусоидальном напряжении u₁ на входных зажимах выпрямителя напряжение u₂ на вторичной обмотке трансформатора также будет изменяться по синусоидальному закону. В течении положительной полуволны этого напряжения вентиль беспрепятственно пропускает ток и напряжение u_в на нем равно нулю. При этом напряжение на нагрузке u_н равно вторичному питающему напряжению трансформатора u₂. При активном характере нагрузки:

Когда u₂ изменит свой знак, вентиль закрывается и не пропускает ток, при этом он воспринимает на себя напряжение u₂ вторичной обмотки трансформатора. Максимальное значение обратного напряжения на вентиле равно U_m. По истечении полного периода Т явления в выпрямителе повторяются. Процессы происходящие в выпрямителе отображены на графике (рисунок 5.4, а).

Рисунок 5.4

Ток, протекающий в нагрузке, и напряжение на нагрузке являются несинусоидальными (пульсирующими). Чтобы сгладить пульсации, параллельно нагрузочному сопротивлению включают конденсатор с достаточно большой емкостью. На графике (рисунок 5.4, б) показаны положительные полуволны напряжения, а кривая ABCDE изображает напряжение на конденсаторе С. Напряжение на вентиле в любой момент времени равно алгебраической сумме напряжений на вторичной обмотке трансформатора u₂ и на конденсаторе u_с для положительного полупериода напряжения. Ток через вентиль проходит тогда, когда напряжение на обмотке трансформатора не только положительно, но и больше напряжения конденсатора. При этом происходит заряд конденсатора через вентиль (участок AB, CD).

Когда же напряжение на обмотке трансформатора отрицательное или меньше напряжения конденсатора, ток через вентиль не проходит и происходит разряд конденсатора через сопротивление R_н (участок BC, DE). Разряд конденсатора происходит значительно медленнее заряда, так как величина нагрузочного сопротивления R значительно больше сопротивления вентиля в открытом состоянии.

Рассмотрим соотношения между токами, напряжениями и мощностями для источника и приемника при однополупериодном выпрямлении без фильтрующего конденсатора.

Одной из основных величин, характеризующих выпрямитель со стороны постоянного тока, является среднее значение (выпрямителя) U_d выпрямленного напряжения:

Для активной нагрузки

где , - амплитуда пульсаций напряжения и тока.

Действующее значение выпрямленного напряжения и тока