Электрические параметры ИВП

Рисунок 1.3 – простейший однополупериодный выпрямитель на полупроводниковом диоде: а – схема; б – временные диаграммы, поясняющие работу схемы

По числу фаз силовой сети различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители. При этом под числом фаз питающего напряжения понимают число питающих напряжений с отличными друг от друга начальными фазами. На рисунке 1.3 приведены простейшая схема однополупериодного выпрямите­ля на полупроводниковом диоде (а) и временные диаграммы (б), поясняющие работу схемы. При первых (после включения) положительных полуволнах сину­соидального напряжения uтр на вторичной обмотке трансформатора («+» сверху) прямой ток, протекающий через диод, создаст падение напряжения на нагрузке и зарядит конденсатор до напряжения Uc = Uн. Поскольку прямое сопротивление диода мало, конденсатор зарядится почти до амплитудного Uтp. m значения напряжения uтр.

При отрицательных полуволнах напряжения u_тр диод находится под обратным напряжением: Uобр=u_тр+Uн и ток через него не протекает (током Iобр ввиду его малого значения пренебрегаем).

В это время конденсатор частично разряжается на сопротивление нагрузки, поддерживая на нем напряжение, близкое к Uтр.m. В установившемся режиме (которому соответствуют временные диаграммы, изображенные на рисунке 1.3, б) конденсатор будет подзаряжаться в течение времени t₁-t₂, t₃-t₄ и т.д., пока вы­полняется соотношение u_тр > Uн и диод находится под прямым напряжением: Uпр=u_тр –Uн.

На рисунке 1.3, б штриховой линией показано среднее за период значение пря­мого тока через диод Iпр ср. Если считать ток утечки через конденсатор равным нулю, то средний выпрямленный ток, протекающий через нагрузку, равен сред­нему значению прямого тока через диод: Iвыпр. ср = Iпр. ср.

Следует отметить, что однополупериодное выпрямление имеет низкую эффек­тивность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения, а потому нахо­дит ограниченное применение. Устранить этот недостаток позволяет схема одно­фазного двухполупероиодного выпрямителя со средней точкой (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой и ее временные диаграммы

Его реализация достаточно проста, так как используются две однополупериодные схемы выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Реализация данной схемы также потребует использования двух источ­ников первичного напряжения, имеющих общую точку. Ток в данной схеме бу­дет протекать в течение всего периода времени, так как диоды будут пропускать только свой полупериод. Вследствие этого один из них должен быть включен под прямое напряжение в момент времени 0 < t < Т/2, а другой в момент време­ни Т/2 < t< T, что и подтверждает схема данного устройства.

Эффективность однофазного двухполупериодного выпрямителя выше однополупериодной схемы, что предопределило ее широкое использование в схемах ИВП.

К основным недостаткам данной схемы следует отнести: необходимость двух источников входного напряжения; высокое значение напряжения, прикладыва­емого к полупроводниковым диодам при их обратном смещении (Uд.обр = 2Um); малое значение напряжения Ucp, определяемого амплитудой Um, в то время как суммарная амплитуда входного напряжения схемы равна 2Um.

Для уяснения появления причин перечисленных недостатков проанализиру­ем более подробно работу схемы, приведенной на рисунке 1.4.

Рисунок 1.5 – Схема мостового двухполупериодного выпрямителя с одним входным напряжением

Вывод А сопротивления Нагрузки Rн постоянно подключен к средней точке источников первичного напряжения u¢вх и u¢вх. В то же время вывод В диодами VD1 и VD2 периодически переключается от вывода источника u¢вх к выводу источника u¢¢вх. В этом случае можно предположить, что если вывод А нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подклю­чаться к неиспользуемым на соответствующем интервале выводам первичных ис­точников, то необходимость в средней точке входного источника отпадет и Uн. cp и Iн. ср увеличатся в 2 раза. Схемотехническая реализация такого решения приве­дена на рисунке 1.5. На интервале 0 < t < Т/2 сумма входных напряжений u¢вх + u¢¢вх = uвх смещает в прямом направлении включенные последовательно с нагрузкой диоды VD1 и VD4. При этом VD2 и VD3 смещены в обратном направлении напряжением, при­ложенным к нагрузке (Uд.обр = Uн).

На интервале T/2<t< Т суммарное входное напряжение смещает диоды VD₂ и VD₃ в прямом, а диоды VD₁ и VD₄ - в обрат­ном направлении. Из сказанного следует, что, как и в однофазной двухполупериодной схеме, напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего периода из­менения входного напряжения, но при этом оно в 2 раза превышает выходное напряжение схемы, приведенной на рисунке 1.4.

Поэтому при одном и том же напряжении нагрузки в схеме на рисунке. 1.5 к об-ратносмещенному диоду прикладывается напряжение, в 2 раза меньшее, чем в схеме на рисунке 1.4. Схема, представленная на рисунке 1.5, получила название одно­фазного мостового выпрямителя.

Особенностью рассмотренных однофазных двухполупериодных схем явля­ется то, что в схеме со средней точкой последовательно с нагрузкой постоянно включен только один диод, в то время как в мостовой схеме таких диодов два.

Поэтому при низких выходных напряжениях (до 4-5 В) из-за большего зна­чения КПД чаще применяют схему, показанную на рисунке 1.4. При повышении выходного напряжения разница в КПД этих двух схем уменьшается и опреде­ляющим фактором становится меньшее обратное напряжение, прикладываемое к запертым диодам схемы на рисунке 1.5.

Рисунок 1.6 – Схема мостового двухполупериодного выпрямителя с двумя выходными напряжениями

В связи с этим при больших уровнях выходного напряжения обычно исполь­зуют выпрямитель, выполненный по мостовой схеме. Следует отметить, что если мостовую схему выпрямителя использовать со­вместно с источником, снабженным средней точкой, и средний выход каждой пары диодов соединить со средней точкой входного источника через собствен­ную нагрузку, на выходе выпрямителя мы получим два равных, но противопо­ложных по знаку напряжения (рисунок 1.6). Такая схема выпрямителя часто используется для питания устройств, постро­енных с применением операционных усилителей.