Основные свойства выпрямительного диода заключаются в односторонней проводимости электрического тока [1, c 13-16, 22-24].
При изучении схем выпрямления полупроводниковый диод считается идеальным.
При прямом включении, когда к аноду подключен «+», а к катоду «–», диод имеет сопротивление равное нулю, т.е. Rд,пр = 0.
При обратном включении, когда к аноду подключен «–», а к катоду «+», диод имеет сопротивление бесконечно большое, т.е. Rд,обр = ∞.
При указанных предположениях диод представляет собой идеальных электронных ключ, включение и выключение которого управляется полярностью приложенного напряжения.
Свойство односторонней проводимости (вентильное свойство) сохраняется полупроводниковыми диодами в режимах, не превышавших предельного электрического режима диода, который характеризуйся следующими параметрами:
1) максимально допустимым обратным напряжением Uобр.maxд;
2) максимально допустимым прямым током Iпр.maxд;
3) максимальной частотой тока fmax.
Предельно допустимые значения параметров обязательно указываются в паспортных данных прибора.
Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется выполнение условий:
; (3.1)
примерно с превышением в 30 %,
где Iпр.ср – среднее значение прямого тока через диод;
Uобр.max – максимальное значение обратного напряжения на диоде в данной схеме выпрямления [1, c 229].
Отметим, что в учебнике [1] в обозначениях величин, входящих в условие (3.1), допущены опечатки.
Выпрямителем называется устройство, преобразующее переменное напряжение, полярность которого изменяется в пульсирующее напряжение, полярность которого остается постоянной. Для получения постоянного напряжения из пульсирующего на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. Классификация и структурные схемы выпрямительных устройств приведены в [1, с.224-226].
Основными характеристиками выпрямителей являются:
- средние выпрямленные значения напряжения Uн.ср, мтока Iн.ср, мощности Рн.ср
;
- амплитуда первой (основной) гармоники выпрямленного напряжения Uосн.m;
- коэффициент пульсации выпрямленного напряжения
;
- действующие значения напряжения и тока первичной и вторичной обмоток трансформатора U1, I1, U2, I2;
- типовая мощность трансформатора
,
где , .
Среднее выпрямленное значение Uн.ср представляет собой постоянную составляющую напряжения на выходе выпрямителя, поэтому она является полезной, целевой составляющей. В связи с этим, чем больше при данном питающем напряжении U2 значение Uн.ср и чем меньше Uосн.т (а значит, и коэффициент пульсации р), тем более качественно работает выпрямитель.
Работа простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя, состоящего из трансформатора и одного диода, описана в [1, с.227-226]. При синусоидальном питающем напряжении с амплитудой U2m вследствие односторонней проводимости диода на нагрузочное сопротивлении существуют синусоидальные ток iн(t) и напряжение Uн(t) только один полупериод питающего напряжения (рис.3.1). Поэтому данный выпрямитель называется однополупериодным.
Однофазный однополупериодный выпрямитель имеет следующие характеристики: Uн.ср. ≈ 0,45U2; Uoсн.т ≈ 0,707U2; p =1,57.
Однофазные двухполупериодные выпрямители выполняются по двум схемам: 1) мостовой схеме [1, с.229-231] и 2) схеме с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора [1 с.231-233]. Эти выпрямители в отличие от однополупериодного выпрямителя обеспечивают протекание тока в нагрузке в одном направлении каждый полупериод питающего синусоидального напряжения.
В первой схеме это достигается за счёт блока из четырёх диодов, а во второй – с помощью двух диодов и специального трансформатора.
Вследствие протекания тока нагрузки в каждый полупериод питающего напряжения значения показателей качества выпрямления указанных схем увеличиваются по крайней мере в два раза по сравнению с однополупериодным выпрямителем:
; .
Однофазные выпрямители применяются для питания устройств малой и средней мощности.
Работа двух основных типов трёхфазных выпрямителей – с нейтральным выводом и мостовой схемой описана в [1, с.233-235].
Трёхфазные выпрямители имеют два важных преимущества по сравнению с однофазными. Во-первых, трёхфазные выпрямители применяется для питания нагрузочных устройств средней и большой мощности, в которых средние значения выпрямленного тока доходят до сотен ампер, а напряжение – до десятков киловольт. Во-вторых, трёхфазные выпрямители обеспечивают более высокое качество выпрямления:
- выпрямитель с нейтральным выводом имеет
; ;
- мостовой выпрямитель
; .
Таким образом, качество выпрямления в несколько раз выше, чем у однофазных двухполупериодных выпрямителей.
После выпрямителя напряжение, кроме целевой постоянной составляющей, содержит также нежелательную переменную составлявшую, которая вызывает пульсации выходного напряжения. Сглаживающие фильтры предназначены для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения. Основным параметром, характеризующим эффективность действия сглаживающего фильтра, является коэффициентсглаживания, равный отношению коэффициентов пульсаций на выходе и входе фильтра:
.
Простейшими и наиболее распространенными сглаживающими фильтрами являются ёмкостный, индуктивный и индуктивно-ёмкостный фильтры. В [1, с.236-239] подробно описана их работа с точки зрения протекания переходных процессов. При этой эффект уменьшения пульсации объясняется запасанием электрической ( ) или магнитной ( ) энергии в реактивных Сср, Lср элементах при открытых диодах и отдачей этой энергии в нагрузку на интервалах времени, в течение которых диоды закрыты. Отдача энергии заполняет разрядным током паузу в нагрузочном токе iн(t), которая, например, имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра, что уменьшает пульсацию тока iн(t) и, соответственно, напряжения Uн(t).
Задача № 1. Рассчитать параметры однофазного однополупериодного выпрямителя, содержащего идеальные трансформатор и диоды и работающего на активную нагрузку. Величины действующего значения напряжения питающей сети U1, среднего значения выпрямленного напряжения Uн.ср и среднего значения выпрямленного тока Iн.ср указаны в таблице 3.1. Частота питающего напряжения для всех вариантов fс = 50 Гц.
При решении задачи требуется:
1. Изобразить схему выпрямления и графики временных диаграмм вторичного напряжения трансформатора U2(t), напряжения Uн(t) и тока iн(t) нагрузки выпрямителя.
2. Определить расчётные параметры трансформатора: действующие значения токов I1, I2 и напряжение U в первичной и вторичной обмотках трансформатора, коэффициент трансформации n, типовую мощность трансформатора Sтр.
3. Определить расчётные параметры, диодов выпрямителя: величины действующего Iпр и среднего Iпр.ср значений выпрямленного тока, проходящего через каждый вентиль в прямом направлении; амплитуду обратного напряжения Uoбр.max, приложенного к вентилю в непроводящий период.
4. Подобрать из таблицы 3.6 наиболее подходящий к расчётным параметрам тип полупроводниковых диодов.
; 
(3.1)
;
;
,
, 
.
; 
.
; 
;
; 
.
.
) или магнитной ( 
) энергии в реактивных Сср, Lср элементах при открытых диодах и отдачей этой энергии в нагрузку на интервалах времени, в течение которых диоды закрыты. Отдача энергии заполняет разрядным током паузу в нагрузочном токе iн(t), которая, например, имеется в однополупериодном выпрямителе в отсутствие фильтра, что уменьшает пульсацию тока iн(t) и, соответственно, напряжения Uн(t).