Полупроводниковые выпрямители. Лекция15

1.

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ
ВЫПРЯМИТЕЛИ
(ПВ)

2. 1. ПОНЯТИЕ О ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ (ПВ)

ПВ
предназначены
для
преобразования
переменного тока в постоянный (обеспечивают
протекание тока только в одном направлении).
ТИПИЧНАЯ БЛОК-СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
(4 прямоугольника, каждый обозначает элемент установки,
включая нагрузку)
сеть
Тр
СФ
Н

3.

Трансформатор предназначен для изменения
напряжения питающей сети до величины, которая
обеспечивает требуемое выпрямленное напряжение.
Выпрямленное напряжение имеет переменную
составляющую, называемую пульсации.
Для уменьшения пульсаций между диодами и
нагрузкой включается сглаживающий фильтр (СФ);
В зависимости от числа фаз питающей сети.
характера нагрузки (Н), а также требований к
выпрямленному току Диоды соединяются в различные
системы.

4. 2. Однополупериодная система выпрямления однофазного тока

Такая система обеспечивает протекание тока через
нагрузку только в течение одного полупериода (отсюда
и название).
Для проведения теоретического анализа сделаем следующие
допущения (не особенно искажающие результаты):
-Идеальный диод
Rпр=0
Rобр=
-Трансформатор
r2=0
X2=0
-Входное напряжение изменяется по синусоидальному закону
u=Um*sin t

5. Принципиальная схема Однополупериодной системы выпрямления однофазного тока

a)
б) u
2
~
u1
w1
–
(+)
2
w2
u2 i2
id
RН
ud
0
+
(–)
1
VD
(-)
U2m
Тр
ia
ua
в)
2π
π
ud , id
ωt
ud
i2=ia=id
Ud
(+)
0
г)
Id
ωt
ua
ωt
0
Uобр.max
T

6.

Положительный зажим выпрямителя соединяется с
катодом диода VD.
Отрицательный зажим выпрямителя соединяется
непосредственно со вторичной обмоткой
трансформатора.
При положительном полупериоде напряжение к диоду
приложено в прямом направлении.
Мгновенное значение выпрямленного тока равно
i d I m sin t
При отрицательном полупериоде ток через нагрузку не
протекает
i d 0.

7.

Среднее значение выпрямленного тока определяется
следующим образом
0 , 5 T
Id
1
T
i dt
d
0 , 5 T
1
T
0
0 , 5 T
Im
0 I m sin t dt 2 [ cos t ]
Im
( cos 1)
2
T 2 ; T
Id
Im
2
; Im Id .
.
0

8.

В однополупериодной схеме выпрямления мгновенные
значения тока через диод и выпрямленного равны:
ia id
Поскольку сопротивление нагрузки имеет активный
характер, то закон изменения напряжение на нагрузке
ud
подобен закону изменения тока через нагрузку
id

9.

Тепловые потери на диодах и нагрузке определяются
действующим значением тока:
Im
1 0,5 Т 2
I
id dt
; Im 2 I Id .
Т 0
2
соотношение между действующим и средним значениями
тока через нагрузку равно
I 1,57 I d .

10.

Мгновенное значение напряжения на нагрузке равно
ud id R U d
UM
U 2
;
Тогда действующее значение напряжения на выходе
трансформатора
U 2,22 U d .
ВЫВОД:
Чтобы получить требуемое значение выпрямленного
напряжения, действующее значение напряжения
трансформатора
должно быть в 2,22 раза больше.

11.

При отрицательном полупериоде ток через нагрузку и диод
не протекает, поэтому все напряжение приложено к диоду,
его максимальное значение равно
U ОБР U d .
U ОБР U М .
Зная для конкретного диода допустимое обратное напряжение
U ОБР ДОП
можно рассчитать количество диодов, которые должны
быть соединены последовательно:
n
U ОБР
U ОБР ДОП

12.

Коэффициент пульсаций
– понимают отношение амплитуды первой гармоники при
разложении выпрямленного напряжения в ряд Фурье к
среднему значению выпрямленного напряжения
U М1
КП
;
Ud
В рассматриваемом случае ток через нагрузку протекает
пульсирующий
К П 1,57;

13. 3. Двухполупериодная система выпрямления однофазного тока

В этом случае применяется схема соединения четырех
диодов, называемая «мостовой».
«Мост» имеет две диагонали:
- В одну диагональ моста «АС» подается переменное
синусоидальное напряжение;
- со второй диагонали моста «FD» снимается
выпрямленное напряжение.

14.

б) u2
u2
U2m
a)
ωt
~
u1
0
w1
w2
Тр
в)
u2
VD3
VD2
F
D
VD1
VD4
ud , id
i2
2π
ud
Ud
i2
C
π
Id
0
id
г) ia2= ia4
ωt
A
id
(+)
ωt
RН
0
(-)
ia1= ia3
ud
ωt
д)
0
0
ua2= ua4
ωt
Uобр.max
T

15.

При положительной полуволне открыты диоды VD2-VD4
При отрицательной полуволне открыты диоды VD1-VD3
В двухполупериодной схеме выпрямления величина
среднего значения выпрямленного тока в 2 раза выше
по сравнению с однополупериодной схемой.
I 2
Im
Id 2
;
1,57 1,57
Im
Действующее значение тока на выходе трансформатора
I 1,11 I d ;
Действующее значение напряжения на выходе трансформатора
U 1,11 U d ;

16.

Максимальное значение обратного напряжения на диодах
мостовой схемы в два раза меньше, чем в
однополупериодной схеме
U обр 1,57 U d ;
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения в 2,5
раза меньше
КП 0,67;

17. 4. Мостовая схема выпрямления трехфазного тока

В этом случае к выпрямителю прикладывается
трехфазное синусоидальное напряжение.
В схеме используются 6 диодов.
Выпрямленное напряжение мостовой схемы
выпрямления трехфазного тока обеспечивает очень
малые пульсации.

18. Мостовая схема выпрямления трехфазного тока

a)
б) u u
a
~ U1
~~
ub
uc
uab
ωt
Тр
a
b
c
VD1
VD2
VD3
VD4
VD5
VD6
RН
Ud
Id
0
в)
VD1
VD4
VD3
VD6
VD5
VD2
VD1
VD6
VD4
0
г)
u uab
id
ωt
ud
Ud
id
Id
ωt
0
T/6
a
b
c
d
T
e
f
а
b
c

19.

В данном случае положительный зажим выпрямителя
соединяется с общей точкой катодов диодов VD1, VD3,
VD5,
а отрицательный – с общей точкой анодов диодов VD2,
VD4, VD6
В каждый момент времени открыты 2 диода (это
устанавливается путем анализа временной диаграммы).
Причем каждые 1/6 периода один из двух работающих
диодов заменяется другим.
Через каждый диод ток протекает в течении 1/3 периода

20.

Действующее значение тока на выходе трансформатора
I 0,82 I d ;
Действующее значение напряжения на выходе трансформатора
U 0,43 Ud ;

21.

Максимальное значение обратного напряжения на диодах
мостовой схемы практически равно выпрямленному
напряжению
U обр 1,047 U d ;
Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения
близок к нулевому значению (практически постоянный ток)
КП 0,057;

22. 5. Понятие о сглаживающих фильтрах (СФ)

Для уменьшения коэффициента пульсаций применяются
сглаживающие фильтры (СФ).
В общем случае СФ представляет собой различные
комбинации из индуктивностей и емкостей.
Каждый СФ характеризуется коэффициентом
сглаживания
К П.вх
4
КС
; К С 10 10
К П.вых

23.

Простейшим сглаживающим фильтром является
конденсатор, подключенный параллельно нагрузке.
Рассмотрим работу такого фильтра на примере схемы
однофазного однополупериодного выпрямления
a)
б)
~ u1
w1
w2
u
Тр
u2 i2
VD
СФ
– +
iс
ia
ua
ia
0
t1
ia
t2
t3
u2
ud = uс
RН
ud = uс
id
ωt
t4
Uобр. max

24.

Когда диод открыт, ток проходит через нагрузку, при этом
конденсатор заряжается.
Когда через диод ток не проходит, энергия, запасенная в
электрическом поле конденсатора постепенно расходуется
на поддержание тока в цепи нагрузки.
Среднее значение коэффициента сглаживания такого СФ
К С 10,
Тогда коэффициент пульсаций на выходе СФ равен
К П .вх
1,57
КС
; 10
; К П .вых 0,157.
К П .вых
К П .вых