Однофазный мостовой выпрямитель

Однофазный мостовой выпрямитель (рис. 4.5) состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных ко вторичной обмотке трансформатора. Параметры такие же, как и двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD₁, затем через нагрузку, затем через VD₂ ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD₃, VD₄. Т.о. в каждый полупериод открыта пара диодов, расположенных в противоположных плечах моста (рис. 4.6). Максимальное напряжение на диоде в этой схеме равно амплитудному значению напряжения U₂, т.е. в два раза меньше, чем в схеме с выводом от средней точки.

Рис. 4.5

Рис. 4.6

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Откуда действующее напряжение вторичной обмотки

.

Среднее значение выпрямленного тока

.

Средний выпрямленный ток каждого диода

.

Действующее значение тока нагрузки

.

Масса и стоимость трансформатора мостового выпрямителя меньше трансформатора выпрямителя с выводом от средней точки, мощность выше вследствие более рационального использования трансформатора, частота пульсаций вдвое больше частоты сети.

Сравнивая две схемы двухполупериодных выпрямителей, можно видеть, что они имеют одинаковые параметры выпрямительного напряжения, однако мостовая схема предпочтительнее. Так, в схеме с выводом от средней точки трансформатор имеет большие массу и габариты, так как содержит две вторичные обмотки, которые хотя и могут выполняться из более тонкого провода, имеют больший объем, чем вторичная обмотка в мостовой схеме.

Выходное напряжение выпрямителей имеет большие пульсации. Величина пульсаций характеризуется коэффициентом пульсаций, равным отношению амплитуды основной гармоники выходного напряжения к постоянной составляющей (среднему значению)

р=U_н~max/U_ср.н .

Для однополупериодного выпрямителя р=1,57, для двухполупериодного р=0,67. Такая величина пульсаций неприемлема для многих применений. В этом случае на выходе выпрямителя устанавливают сглаживающий фильтр. Эффективность сглаживания пульсаций фильтром характеризуется коэффициентом сглаживания.

S=U_1~/U_2~= ,

где U₁ и U₂ – средние значения напряжения на входе и выходе фильтра соответственно;

U_1~ и U_2~ – значения пульсаций напряжений на входе и выходе фильтра соответственно.

Фильтры

На рис. 4.7,а изображён простейший емкостной фильтр – конденсатор фильтра включён параллельно нагрузке. Его действие основано на существенных различиях между постоянными времени заряда и разряда конденсатора. Конденсатор заряжается через малое внутреннее сопротивление выпрямителя и разряжается через нагрузку.

Рис. 4.7

Простейший емкостной фильтр применяется, если не требуется обеспечить большого коэффициента сглаживания. Более эффективными являются LC-фильтры. В маломощных источниках питания нередко применяются RC-фильтры. На рис. 4.7,б и 4.7,в изображены Г-образный и П-образный LC-фильтры. Принцип действия LC-фильтра основан на различной реакции сопротивлений индуктивности и ёмкости на изменение частоты. Индуктивное сопротивление прямо пропорционально частоте, а емкостное обратно пропорционально.

Очевидно, что постоянный ток свободно проходит через катушку индуктивности фильтра, в то время как сопротивление катушки индуктивности переменному току увеличивается с ростом частоты. Конденсатор фильтра, наоборот, не пропускает постоянный ток, а его сопротивление переменному току падает с увеличением частоты. Таким образом, в Г-образном LC-фильтре переменная составляющая выходного напряжения падает на катушке индуктивности, и к нагрузке прикладывается значительно меньшее переменное напряжение. П-образный LC-фильтр ещё более эффективен, поскольку представляет собой сочетание простого емкостного и Г-образного C-фильтров. В случае необходимости увеличения коэффициента сглаживания можно применять 2-х звенные фильтры, соединяя их последовательно.

Рассмотрим принцип работы выпрямителей с простейшим емкостным фильтром.