Выпрямительные устройства. Однофазная однополупериодная схема. Принцип работы. Основные характеристики

Данная схема наиболее простая из всех схем выпрямления. При появлении по­ложительного потенциала на конце вторичной обмотки трансфор­матора, противоположной точке О, диод открывается, и ток проходит через нагрузку R_н. При появлении отрицательного потенциала диод закрыт, и ток в нагрузке отсутствует. Так как сопротивление обмоток трансформатора и диода в прямом на­правлении принято равным нулю, то во время положительного полупериода напряжение на нагрузке равно напряжению на вто­ричной обмотке и₀ = и₂. Во время отрицательного полупериода сопротивление диода принято равным бесконечности, ток в на­грузке отсутствует и напряжение на ее зажимах равно нулю.

б,в – соответственно напряжения на первичной и на вторичных обмотках трансформатора; г – ток через нагрузку и напряжение на ее зажимах; д – ток в первичной обмотке; е – напряжение между электродами диода

Характер изменения тока в нагрузке при открытом диоде точно такой же, как характер изменения напряжения на вторичной об­мотке трансформатора (т.к. активная на­грузка). Через диод и вторичную обмотку трансформатора протекает тот же ток, что и через нагрузку. Поэтому вторичную обмотку используют неэффективно, так как ток через нее проходит только в течение одной половины периода.

В однофазной однополупериодной схеме имеется вынужденное намагничивание сердечника трансформатора, создаваемое постоян­ной составляющей тока вторичной обмотки трансформатора. Так как постоянная составляющая тока вторичной обмотки не трансформируется в первичную, поэтому ток в ней имеет форму только переменной составляющей (рис. 3.9, д). Максимальное об­ратное напряжение на диоде равно амплитудному напряжению на вторичной обмотке трансформатора (рис. 3.9, е).

Поместим начало координат в точку О'(см. рис. 3.9, г). Так как напряжение на нагрузке равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора, то и₀ = и₂ = U_2m·cos(ωt).

По определению постоянная составляющая выпрямленного на­пряжения U₀ = S_ОАБ/(2π) = 2·S_{О`АБ</sub>/(2π). Выражая площадь S<sub>О`АБ} в виде интеграла и выполняя необ­ходимые преобразования, получим (3.5) Выразим U₂m через действующие напряжения на вторичной обмотке трансформатора U₂m = √2·U₂ (3.6). Из выражений (3.5) и (3.6) имеем действующее напряжение на вторичной обмотке трансформатора, U₂m = π·U₀/√2 = 2.22·U₀ (3.7). В схеме вторичная обмотка, диод и нагрузка соединены после­довательно, поэтому i₀ = i_Д = i₂ = I₂m·sin(ωt) (3.8). Поместим начало координат в точку 0. Действующий ток (3.9). Подставляя значение из выражения (3.8)в(3.9) ипроин­тегрировав полученное выражение, имеем (3.10)

Амплитудный ток диода I_2m = U_2m/R (3.11). Извыражений (3.10), (3.11) и(3.5) имеем действующийток вторичной обмотки I₂ = 1.57·I₀ (3.12). Ток первичной обмотки имеет форму переменной составляющей тока вторичной обмотки и, следовательно, не со­держит постоянной составляющей, а его мгновенное значение i₁ = (i₂ – I₀)/n_T, где i₂ - мгновенное значение переменной составляющей тока вторичной обмотки; n_T -коэффициент трансформации.

Действующий ток первичной обмотки (3.13).

Подставив (3.12) в (3.13), получим I₁ = 1.21·I₀/n_T (3.14). Это выражение не учитывает намагничивающего тока первичной обмотки. С учетом этого тока фактический ток I₁ будет на20-30% больше тока, полученного из выражения (3.14). Расчетная мощность трансформатора S_T = 0.5(S₁+S₂) (3.15). Расчетные мощности первичной и вторичной обмотоктрансформатора S₁ = U₁·I₁ = n_T·U₂·I₁, S₂ = U₂·I₂.

Подставляя в эти выражения значения напряжения U₂ из (3.7), тока I₁ из (3.14) и тока I₂ из (3.12) и затем подставляя их в формулу (3.15), получим S_Т = 3,09·Р₀. С учетом увеличения тока первичной обмотки за счет вынужденного намагничивания расчетная мощ­ность трансформатора S_T ≈ (3.4÷3.6)·P₀. В данной сх. обратное напряжение на диоде U_обр = U_2m = √2·U₂ = π·U₀ (3.16).

Диод соединен последовательно с нагрузкой и вторичной об­моткой трансформатора, поэтому средний ток диода равен выпрям­ленному току I₀. Действующий ток диода равен действующему току вторичной обмотки I_Д = I₂ = 1.57·I₀. Амплитудный ток диода равен амплитудному току вторичной обмотки трансформатора и может быть найден из выражений (3.11) и (3.5) I_Дm = U_2m/R = π·U₀/R.

Из выражения (3.1) число фаз выпрямител m = pq = 1. Тогда частота первой гармоники f₁ = m·f = 50 Гц. На основании разложения в ряд Фурье переменной составляю­щей выпрямленного напряжения амплитуда первой гармоники U_1m = π·U₀/2 = 1.57·U₀, тогда с учетом формулы (3.3) коэффициент пульсации n_П = U_1m/U₀ = 1.57.

Основным преимуществом схемы является ее простота. Недостатки: увеличенные га­баритные размеры и масса сердечника вследствие плохого ис­пользования обмоток и наличия вынужденного намагничивания сердечника; значительные обратные напряжения и ток, проходящий через диод; большая переменная составляющая напряжения и низ­кая частота пульсаций, что приводит к увеличению габаритных размеров и массы фильтра. Данную схему используют в мало­мощных выпрямителях с большим сопротивлением нагрузки.