Двухполупериодные выпрямители с выводом средней точки

Рис. 3.4. Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора

Схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на одну общую нагрузку. Вторичная обмотка трансформатора имеет среднюю (нулевую) точку, поэтому диоды питаются вторичными напряжениями и , равными по величине и сдвинутыми по фазе на 180⁰ В каждый полупериод работает только один диод. Работа схемы : при полярности, указанной на рисунке, ток протекает от плюса, через диод VD1, сопротивление нагрузки R_н, на минус. В другой полупериод, когда верхний зажим имеет отрицательный потенциал по отношению к нижнему, ток протекает от нижнего зажима через диод VD2, нагрузку R_н на новый минус ( - ). В результате, в течение всего периода ток I_н через нагрузку R_н и напряжение на ней имеет одно и то же направление. Временные диаграммы работы _.двухполупериодного выпрямителя показаны на рис.5. Основные параметры схемы: среднее значение за период выпрямленного напряжения и тока, коэффициент пульсации соответственно

; .

Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к диоду в непроводящий полупериод . Значительная величина является существенным недостатком схемы.

Рис 3. 5. Временные диаграммы _.двухполупериодного выпрямителя

Мостовой выпрямитель

Из-за более простой конструкции трансформатора и меньшей величины максимального обратного напряжения, прикладываемого к диоду в непроводящий полупериод, наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямителя, показанная на рис.3.6.

Рис. 3. 6 Мостовая схема выпрямителя

Работа схемы. В один из полупериодов напряжения сети (U₁) , когда верхний зажим вторичной обмотки трансформатора имеет положительный потенциал по отношению к нижнему зажиму, диоды VD2 и VD4 закрыты, диоды VD1 и VD3 открыты. В этот полупериод ток проходит от верхнего зажима вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузочный резистор R_н,, диод VD3 к нижнему зажиму обмотки трансформатора. В другой полупериод, когда верхний зажим имеет отрицательный потенциал по отношению к нижнему диоды VD1 и VD3 закрыты, а диоды VD2 и VD4 открыты, ток проходит от нижнего зажима через диод VD4, резистор R_н,, диод VD2 к верхнему зажиму обмотки трансформатора. При этом в течение всего периода ток I_н через R_н, и напряжение на нем также, как и в предыдущей схеме ( рис.3.4 ) имеет одно и то же направление. Временные диаграммы напряжений мостового выпрямителя имеют тот же вид и показаны на рис.5. Основные параметры схемы :

; К_пульс.=0,67 ; f_ог= 2f _с ; .

По сравнению с однополупериодным _.двухполупериодные выпрямители более эффективны; средние значения за период выпрямленного напряжения и тока в два раза больше, а пульсации значительно меньше.

Сглаживающие фильтры

Коэффициент пульсаций напряжения К_пульс. питающего электронную аппаратуру, должен составлять доли процента. Как было указано, двухполупериодный выпрямитель создает пульсирующее напряжение с К_пульс.=0,67. Поэтому для уменьшения пульсаций до требуемого уровня применяют устройства, называемые сглаживающими фильтрами. Различают емкостные, индуктивные, комбинированные ( Г – образные, П – образные) фильтры.

Емкостной фильтр

На схеме мостового выпрямителя (рис. 3.7) емкостной фильтр выполнен в виде конденсатора С _ф , включенного параллельно , нагрузочному резистору R_н . Конденсатор С _ф заряжается через диоды до амплитудного значения напряжения в моменты времени, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора превышает напряжение на конденсаторе. Этому режиму соответствует интервал времени от t₁ до t₂ . В течение интервала времени от t₂ до t₃ напряжение U_c > U₂ , диоды закрыты и конденсатор разряжается через нагрузочный резистор R_н с постоянной времени . При этом напряжение на нагрузке снижается по экспоненциальному закону до некоторого наименьшего значения. Начиная с момента времени t₃ напряжение U_с на конденсаторе становится меньше напряжения U₂ . Диоды открываются, конденсатор С_ф снова начинает заряжаться и процесс повторяется. Как показывает временная диаграмма на рис.3.7а, б. при разряде С_ф напряжение U_н не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения по сравнению с мостовым выпрямителем без фильтра. Емкость конденсатора С_ф выбирают такой, чтобы выполнялось соотношение >5 T. Здесь T=1 / f_осн. – период основной, наибольшей гармоники пульсирующего напряжения.

Рис.3.7. Схема (а) и временные диаграммы (б) мостового выпрямителя

с емкостным фильтром

Коэффициент пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром может быть снижен до 10^-2. Емкостнjй фильтр целесообразно применять с высокоомным нагрузочным резистором, т.е. при малых токах нагрузки. При этом мощность в нагрузке не должна быть больше нескольких десятков ватт.

Индуктивный фильтр

Действие индуктивного фильтра L_ф основано на том, что сопротивление катушки индуктивности постоянному току мало, а сопротивление переменному току может быть сделано большим. Поэтому при включении L_ф последовательно с активным сопротивлением нагрузки R_н падение напряжения на R_н от переменной составляющей тока снижается, т.е. пульсации выпрямленного напряжения уменьшаются.

3.2.3 Г – образные и П – образные фильтры

Для более значительного уменьшения пульсаций применяют комбинированные Г - и П – образные фильтры ( рис.3.8). В маломощных выпрямителях с целью уменьшения массы, габаритов и стоимости фильтра катушку L_ф часто заменяют резистором R_ф . “ Фильтрующее “ действие резистора R_ф основано на том, что при на R_ф происходит большее падение переменной составляющей выпрямленного напряжения, чем постоянной. Для характеристики эффективности действия сглаживающего фильтра вводится коэффициент сглаживания , где - коэффициенты пульсации на нагрузке соответственно при отсутствии и наличии фильтра.

Рис 3.8. Схемы Г – образного (а) и П – образного сглаживающих фильтров

Наилучшее сглаживание пульсаций обеспечивает П – образный фильтр, образуемый последовательным включением С_ф и Г – образным LC – фильтрами. Коэффициент сглаживания таких многозвенных фильтров определяется произведением коэффициентов сглаживания отдельных звеньев, из которых он состоит, если входное сопротивление последующего фильтра для переменной составляющей тока значительно больше выходного сопротивления предыдущего фильтра. Поэтому коэффициент сглаживания П – фильтра (S_П) равен S_П = S_Г* S_C , где S_Г и S_Г - коэффициенты сглаживания соответственно Г- и С – фильтров.