По форме выпрямленного напряжения выпрямители бывают однополупериодные (однотактные) и двухполупериодные (двухтактные). В качестве активного элемента в обеих схемах могут применяться электровакуумные или полупроводниковые диоды. В настоящее время электровакуумные диоды применяются в некоторых случаях только в высоковольтных (выпрямленное напряжение больше нескольких тысяч или десятков тысяч вольт) выпрямителях. В основном в схемах выпрямителей вторичных источников питания используются полупроводниковые диоды.
Схема однополупериодного выпрямителя на п/п диоде и его временные диаграммы при работе на активную нагрузку (Rн) приведены на рис. 2.
Рис. 2. Однополупериодный выпрямитель на п/п диоде
а – электрическая схема, б,в - временные диаграммы
В настоящее время однополупериодная схема выпрямления используется редко, так как она имеет существенные недостатки, в частности: малый выпрямленный ток, сильные пульсации постоянного выходного напряжения.
Наиболее широко применяются в источниках питания малой мощности два варианта однофазного двухполупериодного выпрямителя: с нулевым проводом и мостовой.
Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевым проводом, а также временные диаграммы токов и напряжений в его цепях при работе на активную нагрузку приведена на рис. 3.
Рис. 3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевым проводом
а – электрическая схема; б, в, г – временные диаграммы
Такой выпрямитель упрощённо можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, которые питаются противофазными напряжениями и работают на одну нагрузку. В таком выпрямителе обязательно имеется сетевой трансформатор Тр. с двумя вторичными обмотками, имеющими общий (нулевой) вывод. Эти обмотки включаются так, чтобы напряжения u2 и u3 на их внешних выводах были равны по величине и противоположны по фазе относительно нулевого вывода.
В первом полупериоде на угловом интервале 0…p (0…180°) напряжение u2 = Umsinwt положительно относительно нулевого вывода (рис. 3, б), следовательно, открывается диод VD1 и через нагрузку Rн протекает ток i1 = iн. Так как падение напряжения на открытом диоде близко к нулю, то к нагрузке Rн прикладывается почти всё напряжение верхней вторичной обмотки u2 (рис. 3, в). Диод VD2 на этом интервале закрыт, так как находится под обратным (запирающим) напряжением.
Во втором полупериоде на угловом интервале p…2p (180…360°) положительным относительно нулевого провода становится напряжение u3, следовательно, открывается диод VD2 и iн = i2, а uн = u3. Под обратным напряжением оказывается диод VD1. В дальнейшем процессы в схеме периодически повторяются, поэтому ток iн протекает через нагрузку Rн только в одном направлении, следовательно, является выпрямленным током нагрузки (рис. 3, в).
Обратное напряжение, прикладываемое к закрытым диодам, рано сумме напряжений на обоих обмотках – Uобр m = 2Um.
Основными характеристиками выпрямителя являются: среднее значение (постоянная составляющая) выпрямленного напряжения Uн или тока Iн, сопротивление нагрузки Rн, действующее (среднеквадратическое) значение напряжения сети U1 и коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения.
Среднее значение выпрямленного напряжения можно определить по формуле
(1)
,
где U2 = U3 – действующее значение напряжений на вторичных обмотках.
Наибольшую амплитуду из переменных составляющих (пульсаций) выпрямленного напряжения имеет первая гармоника Un1, частота которой в два раза больше частоты сети
(2)
,
где m – эквивалентное число фаз, участвующих в выпрямлении за один период сетевого напряжения 2p (для двухполупериодной схемы m = 2).
Коэффициент пульсаций, определяющий качество выпрямленного напряжения, равен отношению амплитуды первой гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения
(3)
,
Например, для выпрямителя с нулевым проводом Кn = 2/3 » 0,67 » 67% при активной нагрузке Rн.
а – электрическая схема; б, в, г – временные диаграммы
(4)
Среднее значение выпрямленного тока через один диод
Ia = I1 = I2 = Iн/2 =0,5Uн/Iн.
Однофазный мостовой выпрямитель, схема и временные диаграммы которого приведены на рис. 4 содержит, в отличие от предыдущего варианта, четыре полупроводниковых диода VD1…VD4, соединённых по схеме четырёхплечего моста. В одну диагональ моста подаётся сетевое напряжение через трансформатор Тр. или непосредственно, а в другую включается нагрузка – Rн. Диоды в схеме проводят ток парами поочерёдно. В отличие от предыдущей схемы, обратное напряжение на закрытых диодах моста равно напряжению на вторичной обмотке – Uобр m = Um.
,
,
,
