Основные схемы выпрямления, временные диаграммы.
Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.
Однофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления
На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.
Рисунок 1 — Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема — диод открыт, б) схема — диод закрыт, в) временные диаграммы работы
Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б).
Т.е. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.
Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.
Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.
Однофазная мостовая схема выпрямления
Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 — отрицательным полюсом.
Рисунок 2 — Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема — выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы
Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.
Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций — 0,67.
спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.
Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.
Трехфазная мостовая схема выпрямления
Схема состоит из шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 2.61, а): катодную — диоды VD1, VD3, VD5 и анодную VD2, VD4, VD6. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов, т.е. к диагонали выпрямленного моста. Схема подключается к трехфазной сети.
Рисунок 3 — Трехфазный мостовой выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы
В каждый момент времени ток нагрузки протекает через два диода. В катодной группе в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 3, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал. Каждый из диодов работает в течение одной трети периода. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет всего 0,057.
Управляемыми выпрямителями — выпрямители, которые совместно с выпрямление переменного напряжения (тока) обеспечивают регулирование величины выпрямленного напряжения (тока).Схемы управляемых выпрямителей строятся на тиристорах и основаны на управлении моментом открытия тиристоров.
На рисунке 4,а представлена схема однофазного управляемого выпрямителя. Для возможности выпрямления двух полуволн сетевого напряжения используется трансформатор с двухфазной вторичной обмоткой, в которой формируется два напряжения с противоположными фазами. В каждую фазу включается тиристор. Положительный полупериод напряжения U2 выпрямляет тиристор VS1, отрицательный – VS2.
Схема управления СУ формирует импульсы для открывания тиристоров. Время подачи открывающих импульсов определяет, какая часть полуволны выделяется на нагрузке. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и открывающего импульса на управляющем электроде.
Если импульс приходит в момент времени t0 (рис. 4,б) тиристор открыт в течении всего полупериода и на нагрузке максимальное напряжение, если в моменты времени t1, t2, t3, то только часть сетевого напряжения выделяется в нагрузке.
Рисунок 4 — Однофазный выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы
Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания тиристора, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. Изменяя угол α (сдвиг по фазе управляющих импульсов относительно напряжения на анодах тиристоров), мы изменяться время открытого состояния тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение на нагрузке.
Источник
Однофазный мостовой выпрямитель
Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.
Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя
На рис.6.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов для случая активного сопротивления нагрузки RН на выходе моста. К мосту подводится напряжение u2, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u1 на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.6.5,а, через коэффициент трансформации. Как и в случае выпрямителя с нулевым отводом, рассматриваются состояния схемы при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u1. Полярности напряжений на вторичной обмотке трансформатора для интервала фаз 0y 
на рис.6.4 указаны без скобок, для интервала фаз y 
в скобках.
В интервале фаз 0y положительное напряжение подводится к аноду диода Д1 и к катоду диода Д 4, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д 3 и к катоду диода Д 2. Следовательно, диоды Д 1 и Д 2 будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д 3 и Д 4 – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R Н.
Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу
однофазного мостового выпрямителя
В интервале фаз y изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д3 и Д 4 и к закрытию диодов Д 1 и Д 2 . Ток будет протекать через открытые диоды Д 3 и Д 4 , и напряжение в нагрузке R Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз 
y . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряженияu1 на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя 
равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора 
.
На рис. 6.5,в приведена временная зависимость выпрямленного тока, которая согласно закону Ома определяется зависимостью 
, а на рис.6.5,г и 6.5,д – временные зависимости токов, протекающих через соответствующую пару диодов.
Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6.2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина 
является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).
Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д1 подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д 3. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно
Uв max = 
U2 = 0,5π Ud, (6.9)
то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.
Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом
В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д1и Д3, вторая – на диодах Д2и Д4. Величины разнополярных напряженийud1иud2 равны 0,5 ud– половине суммарного выходного напряжения.
Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).
Механическое удерживание земляных масс: Механическое удерживание земляных масс на склоне обеспечивают контрфорсными сооружениями различных конструкций.
Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.
Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.
Источник
Однофазный мостовой выпрямитель
2014-02-02
32817
Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.5. В данной схеме у трансформатора только одна вторичная обмотка, но в нагрузку поступают два полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нечётные полупериоды ток проходит через диод VD1, нагрузку, диод VD3. В чётные – через диод VD2, нагрузку, диод VD4.
Рис. 3.5. Однофазный мостовой выпрямитель
Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.6. Она практически не отличается от временной диаграммы двухполупериодного выпрямителя, только лишь отмечено прохождение тока через пары диодов VD1, VD3 и VD2, VD4, а также видно, что обратное напряжение на закрытом диоде Ub.max уменьшилось.
Среднее значение выпрямленного напряжения такое же, как в предыдущей схеме:
Рис. 3.6. Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя
Среднее значение тока диода .
Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки:
Подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора.
Действующее значение тока вторичной обмотки:
Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:
Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:
Расчетная мощность первичной обмотки:
Расчетная (типовая) мощность трансформатора:
Коэффициент использования трансформатора по мощности:
Для удобства сравнения различных схем выпрямителей составим таблицу основных электрических параметров.
Основные электрические параметры однофазных выпрямителей
| Схема выпрямителя | Трансформатор | Диоды | Нагрузка КП(1) | ||||||
| Ud/U2 | I2/Id | I1/nId | S1/Pd | S2/Pd | ST/Pd | Ub.max Ud | Ia/Id | ||
| Однофазная однополупериодная | 0,45 | 1,57 | 1,21 | 2,69 | 3,49 | 3,09 | 1,57 | 1,57 | |
| Однофазная двухполупериодная | 0,9 | 0,79 | 1,11 | 1,23 | 1,73 | 1,48 | 3,14 | 0,5 | 0,667 |
| Однофазная мостовая | 0,9 | 1,11 | 1,11 | 1,23 | 1,23 | 1,23 | 1,57 | 0,5 | 0,667 |
Проведённый анализ работы схем выпрямителей не учитывал влияние на выходное напряжение выпрямителя внутреннего сопротивления трансформатора и сопротивления диодов, а также потерь из-за прямого падения напряжения на открытых диодах.
На холостом ходу выпрямителя выходное напряжение будет меньше расчётного на величину прямого падения напряжения на открытых диодах. Для однополупериодной и двухполупериодной схемы последовательно с нагрузкой включён только один диод, а в мостовой схеме – два. Поэтому мостовая схема для малых выходных напряжений не применяется, так как падение напряжения на двух диодах существенно снижает коэффициент полезного действия схемы. Предположим, выходное напряжение выпрямителя равно 3 В. На каждом из диодов мостовой схемы прямое падение напряжения составит около 1 В, итого 2 В. То есть трансформатор должен иметь на вторичной обмотке запас по напряжению в 40% из-за потерь в диодах.
Под нагрузкой выходное напряжение выпрямителя начнёт уменьшаться из-за потерь напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и диодов. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от тока нагрузки называется внешней характеристикой.
Уравнение внешней характеристики:
где Ud0 – напряжение холостого хода выпрямителя;
ra – активное сопротивление трансформатора;
rпр – прямое динамическое сопротивление диодов;
Как следует из выражения (3.14) внешняя характеристика выпрямителя, работающего на активную нагрузку, представляет собой прямую линию. Примерный вид внешней характеристики представлен на рис. 3.7.
Рис. 3.7. Внешняя характеристика выпрямителя с активной нагрузкой
Контрольные вопросы
1. Для чего применяются выпрямители?
2. Приведите классификацию и перечислите основные параметры выпрямителей.
3. Нарисуйте схему однополупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.
4. Нарисуйте схему двухполупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.
5. Нарисуйте схему мостового однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.
Источник