Выпрямители

1.

Процесс преобразования переменного тока в постоянный ток с помощью выпрямительных
устройств, обладающих односторонней проводимостью (диоды и тиристоры), называют
выпрямлением.
Виды выпрямителей:
• Однофазные
• Трехфазные
Классификация:
• Неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные)
• По числу фаз питающего напряжения: однофазные, трехфазные
• По форме выпрямленного напряжения: однополупериодные, двухполупериодные ( мостовые)

2.

Структурная схема выпрямительного устройства
Тр – трансформатор
U2 – пониженное напряжение на выходе трансформатора
(синусоидальное)
В – вентильная группа (диоды)
Uп – пульсирующее напряжение
Сф – сглаживающий фильтр
Rн – нагрузка
Uн – напряжение на нагрузке

3.

Неуправляемый однополупериодный выпрямитель
Ряд Фурье для напряжения Uн
uн(t)
U 2 макс
π
2
(1 cosωt cos2ωt ...)
π
2
3
Среднее значение выпрямленного напряжения
Uн ср
U 2макс U 2 2
0.45U 2
π
π
U2 =2.22Uнср
Среднее значение тока на нагрузке
Iн ср
U н ср
Rн

4.

Неуправляемый однополупериодный выпрямитель
Напряжение на нагрузке
uн(t)=Uнср+uп(t)
Количественно пульсации оценивают коэффициентом пульсаций p, равным
отношению амплитуды основной гармоники в выражениях к постоянной
составляющей, т.е. к Uнср.
U 2макс
π 2
p
U 2макс
π
2
1,57

5.

Неуправляемый однополупериодный выпрямитель
Диоды по прямому току и обратному напряжению выбираются по соотношениям:
Iпрср=Iнср
Uобрмакс 2U 2
Для надежной работы диодов в выпрямителе требуется выполнение условий:
Iпрср > Iнср
с превышением 30%.
Uобрмакс > 2U 2

6.

Неуправляемый двухполупериодный (мостовой) выпрямитель
Ряд Фурье для напряжения Uн
uн(t)
2U 2макс
2
2
(1 cos2ωt cos4ωt ...)
π
3
15
Среднее значение выпрямленного напряжения
Uн ср
2U 2макс 2U 2 2
0.9U 2
π
π
U2 =1.11Uнср
Среднее значение тока на нагрузке
Iн ср
U н ср
Rн

7.

Неуправляемый двухполупериодный (мостовой) выпрямитель
Коэффициент пульсаций p
2U 2макс 2
π
3
p
2U 2макс
π
2
0,67
3
Диоды по прямому току и обратному напряжению выбираются по соотношениям:
Iпрср=Iнср/2
Uобрмакс 2U 2 U н.ср
2

8.

Однополупериодный выпрямитель с емкостным фильтром
Время разрядки конденсатора
τразр=СфRн
Коэффициента пульсаций
p
Средневыпрямленное напряжение выпрямителей
1
1
2 f c 2 f c Rн С Ф
2U2
U нср
1 p

9.

Тиристоры
Тиристор — это четырехслойный полупроводниковый прибор с тремя p-n переходами,
обладающий двумя устойчивыми состояниями: тиристор закрыт и тиристор открыт.

10.

Управляемый однополупериодный выпрямитель
Среднее значение выпрямленного напряжения
Чем больше угол α, тем позже открывается тиристор VS, а
следовательно, меньше значение выпрямленного напряжения ud

11.

Управляемый однополупериодный выпрямитель

12.

Задача 1.
Для схемы на рисунке, заданы U1=10 B, U2=13 B, U3=15 В, U4=22 B, R1=R2=1кОм. Определить Uвых.
Решение:
Когда U1=U2=U3=0, диоды закрыты и напряжение Uвых=U4·R2/(R1+R2)=11В.
Напряжение на выходе всех диодов будет равно Uвых, , т.к. это точки равного
потенциала.
При подключении источника с напряжением U1, напряжение Uвых не изменится т.к.
диоды закрыты U1 ˂Uвых.
При подключении источника с напряжением U2 напряжение Uвых станет равным 13 В
т.к. U2˃Uвых диод VD2 будет открыт.
При подключении источника с напряжением U3 откроется диод VD3 в этой ветви,
напряжение Uвых станет равным 15 В. Остальные диоды закроются.
! В данной конфигурации схемы диод с наибольшим потенциалом на входе автоматически закрывает
все остальные диоды.
Uвых =15 В.

13.

Задача 2
Определить ток в цепи и напряжение на диодах VD1 и VD2 , вольтамперные характеристики которых представлены
на рисунке ниже, если U=2.5 В, Rн=25 Ом.
Решение.
1. Строим суммарную ВАХ диодов U12=UVD1
+UVD2
2. Используя метод пересечения характеристик,
построим ВАХ нагрузочного резистора
(рис.1-7в) U12=U-I·Rн по двум точкам
а) Режим холостого хода (хх): I=0; U12=U=2.5 В
б) Режим короткого замыкания (кз): U12=0;
Iкз=U/Rн=2.5/25=100 мА
3. Точка пересечения линии нагрузки и суммарной
ВАХ диодов даёт решение задачи .
Ответ: U1=0.6 В, U2=0.7 В, Uн =1.2 В, I=45 мА

14.

Задача 3
Считая диоды идеальными, найти значения токов и напряжения для цепи, показанной на рисунке, если Uп1=10 В,
Uп1=-10 В, R1=5 кОм, R2=10 кОм
Для цепи, изображенной на схеме, не является очевидным, находятся ли оба диода в
проводящем состоянии. В этом случае первоначально сделаем предположение о
нахождении диодов в проводящем состоянии (эквивалентны пустому проводу),
проделаем вычисления и проверим правильность нашего предположения. Если ток
через открытые диоды окажется положительным, то предположение верно.
Предположим, что оба диода открыты и их внутренние сопротивления Rпр=0, следует,
что в точке «В» напряжение UB=0, а напряжение на выходе U=0 (т.к. это напряжение
между двумя землями). Ток I2 через диод VD2 может быть определен из выражения:
I2
U п1 U
R2
Уравнение для токов в узле «В»:
10 0
1 мА
10 10 3
I I Д1 I 2
U U п2
R1
I Д1
0 ( 10)
1 1 мA
5000
Оба тока через диоды оказались положительными, значит, предположение верно.

15.

Задача 4
Нарисовать вольт – амперную характеристику стабилитрона, который имеет параметры: Uст=12 В, Iст min=3 мА,
Iст mах=50 мА. Rдиф=25 Ом.
Решение:
ВАХ стабилитрона строится по трём точкам: Uст min, Uст, Uст
mах.
∆Iст=Iст mах -Iст min=50–3=47 мА
∆ Uст=Uст mах-Uст min=∆Iст Rдиф=0.047·25=1.175 В
Uст min=Uст-∆Uст/2=11.42 В
Uст mах =Uст+∆Uст/2=12.59 В

16.

Задача 5
Определить напряжение на входе стабилизатора. Параметры стабилитрона: Uст=12 В, Iст min=5 мА, Iст mах=35 мА,
Rбал=800 Ом.
Решение:
Ток I=Iст определяется по формуле:
I ст
I стmax I стmin 40
20 мА
2
2
Так как стабилитрон и балластное сопротивление соединены последовательно.
По второму закону Кирхгофа:
U вх I ст Rбал U ст 0.02 800 12 28 В
Задача 6
Чему равно относительное изменение напряжения на выходе параметрического стабилизатора, если ток
стабилитрона изменился на 2 мА, Uст=8 В, Rдиф=16 Ом?
Решение:
Относительное изменение напряжение на выходе:
U ст
U ст
I ст R диф
U ст
0.002 16
0.004
8

17.

Задача 7
Для стабилизации напряжения в нагрузке Rн=2 кОм используется параметрический стабилизатор напряжения.
Стабилитрон имеет параметры : Iстmin=1 мА, Iстmax=23 мА, Rдиф=30 Ом; номинальное напряжение на выходе Uн=11 В,
входное напряжение Uвх=22 В. Определить Кст и Rбал.
Iн
11
Uн
5.5 мА
Rн 2000
Основные соотношения токов и напряжений в
стабилизаторе определяются первым и вторым законами
Кирхгофа для схемы стабилизации:
I I ст I н
U I Rбал U н
U н U ст
Балластное сопротивление равно:
Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора:
K ст
Rбал
22 11
U вх U ст
1692 Ом
I н I стmin 0.0055 0.001
U ст Rбал 11 1692
28.2
22 30
U вх Rдиф

18.

Задача 8
В однополупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора U2 =150 В. Частота
напряжения сети 50 Гц, Rн=2 кОм. Определить Uнср, Iпрд, Iнср,Uобрмакс, коэффициент пульсаций р.
Решение:
Определяем средневыпрямленное напряжение для однополупериодного выпрямителя: Uнср
=√2·U2/π=67.36
По закону Ома рассчитывается средневыпрямленный ток
Iнср=Uнср/ Rн =67.36/2000=0.0337 А
В однополупериодной схеме ток через диод равен средневыпрямленному току: Iпрд
=Iнср=0.0337 А.
Обратное максимальное напряжение на запертом диоде во втором полупериоде входного
напряжения равно амплитуде входного напряжения:
Uобрмакс=√2·U2=212 В.
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в схеме однополупериодного
выпрямителя определяется по формуле:
р=Uосн m/ Uнср=1.57

19.

Задача 9
В однополупериодном выпрямителе, работающем на Rн=250 Ом, действующее значение напряжения на вторичной
обмотке трансформатора U2=10 В. Определить, с каким допустимым прямым током надо выбрать
полупроводниковый диод.
Напряжение на входе выпрямителя Uнср=√2·U2/π=4.5 В
Iнср=Uнср/ Rн=4.5/250=0.018 А
Iпрд=Iнср=0.018 А
Допустимый прямой ток, с которым надо выбрать диод
рассчитывается с 30% запасом:
Iпрдоп=1.3·Iпрд=0.0234 А
Временная диаграмма входного и выходного напряжений
выпрямителя

20.

Задача 10
Определить емкость конденсатора фильтра Сф в мостовом выпрямителе, если выпрямленное напряжение Uнср=12 В,
ток Iнср=10 мА, а коэффициент пульсаций не должен превышать 0.05. Частота напряжения сети f=50Гц.
Решение
Сопротивление нагрузки выпрямителя определяется по закону Ома:
Rн
U нср
I нср
12
1200 Ом
0.01
Емкость конденсатора фильтра Сф в мостовом выпрямителе определяется по формуле:
Сф
1
1
83 мкФ
4 f c p Rн 200 0.05 1200

21.

Задача 10
В однополупериодном выпрямителе с емкостным фильтром рис 1, рассчитать Uнср и Uобрмакс, если Сф = ∞, U2 = 150
В, частота напряжения сети 50 Гц, Rн = 2 кОм, построить временную диаграмму выпрямителя.
Решение:
Сф = ∞, следовательно р = 0
Uнср =√2·U2 / (1 + р) = 212 В
Iнср = Uнср/ Rн = 212 / 2000 = 0,106 А
Iпрд = Iнср = 0,106 А
Uобр макс = 2√2·U2 = 424 В