Контрольная работа по Физике (стр. 4 из 5)

- Однофазный двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой представлена на рис. 12. Вторичная обмотка трансформатора в данной схеме имеет выведенную нулевую точку 2, поэтому диоды VD1 и VD2 питаются вторичными напряжениями и₁₂и u₃₂, сдвинутыми по фазе на 180° относительно друг друга. Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих поочерёдно на общую нагрузку R_H.

Рис.12. Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой 2

В этой схеме каждый из диодов проводит ток только в течение той части периода, когда анод имеет более высокий потенциал относительно катода, в этом случае диод открыт.

За период входного напряжения u₁ или вторичного напряжения u₂ в один полупериод диод VD1 проводит ток i’₂, а в другой полупериод - проводит ток i"₂диод VD2.

В результате временные диаграммы токов и напряжений двухполупериодного выпрямителя приобретают вид, представленный на рис. 13.

Рис. 13. Временные диаграммы токов и напряжений двухполупериодной выпрямительной схемы с нулевой точкой.

Кривую выпрямленного тока i_H, протекающего в цепи нагрузки, разложим в гармонический ряд Фурье:

где I_m - максимальное значение выпрямленного тока.

Среднее значение выпрямленного тока:

При этом частота первой (основной) гармоники для двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте напряжения на входе трансформатора (сети). Все другие (высшие) гармонические составляющие имеют более высокие частоты, кратные основной частоте, а их амплитуды уменьшаются по мере повышения частоты гармоники.

Пульсация тока при двухполупериодном выпрямлении значительно уменьшается, так как коэффициент пульсаций в данном случае:

где

- амплитуда основной гармоники выпрямленного тока во втором слагаемом ряда Фурье.

Среднее значение тока нагрузки складывается из средних значений токов вентилей VD1 и VD2, поэтому среднее значение тока через диод:

Максимальное значение тока диода:

Максимальное обратное напряжение диода равно максимальному напряжению на вторичной полуобмотке трансформатора U_m2, поэтому его значение:

Действующее значение вторичного тока I₂ можно рассчитать с учётом того, что во вторичной обмотке трансформатора ток протекает в течение всего периода. Действующее значение тока во вторичной полуобмотке трансформатора:

тогда

Действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке трансформатора:

Полученные соотношения показывают, что эффективность однофазного двухполупериодного выпрямителя значительно выше, чем однополупериодного, поэтому он нашел широкое использование в схемах ИВЭ.

- Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель представлен на рис. 14. Диоды VD1 - VD4 соединены по схеме моста: катоды диодов VD1, VD4 объединены, а общая точка присоединена к одному полюсу нагрузки, аноды диодов VD2, VD3 также объединены и присоединяются к другому полюсу нагрузки. Общие точки анода VD\ и катода VD2, а также катода VD3 и анода VD4 присоединяются к выводам вторичной обмотки трансформатора TV. При присоединении трансформатора к сети на вторичной обмотке появляется синусоидальное напряжение и₂. При этом в течение нечётных полупериодов ток протекает в цепи - вентиль VD 1, сопротивление нагрузки R_H и вентиль VD3, а в течение чётных полупериодов в цепи - вентиль VD4, нагрузке R_H и вентиль VD2. Причём в любой полупериод ток в цепи нагрузки протекает в одном и том же направлении.

Рис. 14. Мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя переменного тока.

Временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя приведены на рис. 15.

Рис. 15. Временные диаграммы токов и напряжений для двухполупериодной выпрямительной мостовой схемы: i₁ - i₄ - мгновенные токи через 1 - 4 диоды.

При сравнении временных диаграмм токов и напряжений рассматриваемых двухполупериодных схем (мостовой и с нулевой точкой, рис. 13), можно видеть, что выпрямленные ток и напряжение на нагрузке изменяются по одному закону, поэтому коэффициент пульсаций в мостовой схеме будет определяться так же, как и в схеме с нулевой точкой.

Среднее значение тока в цепи диодов:

Максимальное значение тока в цепи диодов:

Амплитудное обратное напряжение диода:

Так как ток во вторичной обмотке трансформатора в мостовой схеме изменяется в течение периода по синусоидальному закону, его действующее значение:

Действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

В мостовой схеме к запертым диодам прикладывается меньшее обратное напряжение.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель широко используется в источниках вторичного питания.

9. Емкостной электрический фильтр в выпрямительной схеме и его влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока.

Схема ёмкостного фильтра показана на рис. 16. Постоянная составляющая тока I_ср не проходит через конденсатор фильтра С, а замыкается только через цепь нагрузки R_H.

Рис. 16. Однополупериодиая схема с ёмкостным фильтром.

(а) и временные диаграммы напряжений и токов (б)

Сглаживающее действие конденсатора как фильтра заключается в том, что через него шунтируются высшие гармонические составляющие тока выпрямителя, так как конденсатор имеет малое ёмкостное сопротивление (

), которое значительно ниже нагрузочного сопротивления R_H. Высшие гармонические составляющие вызывают дополнительное падение напряжения в сопротивлении выпрямителя, что приводит к сглаживанию выходного напряжения U_H.

Коэффициент сглаживания в однополупериодной схеме с ёмкостным фильтром:

Из уравнения следует что, чем больше ёмкость С (

), тем лучше сглаживается ток. Не допуская большой погрешности, можно считать, что через R_H проходит только постоянная составляющая тока I_ср, а переменная составляющая тока проходит целиком через конденсатор С.

На рис. 17 представлены временные диаграммы токов и напряжений для ёмкостного фильтра.

Рис. 17. Временные диаграммы напряжений и токов.

На участках 1-2, 3-4 напряжение на ёмкости меньше, чем напряжение сети, в этот момент через диод проходит ток и емкость заряжается. Электрическая энергия накапливается в электрическом поле емкости. На участках 2-3, 4-5 напряжение на ёмкости больше, чем напряжение сети, ёмкость разряжается через нагрузку R_H. Напряжение и ток нагрузки поддерживаются за счет электрической энергии накопленной в емкости.

Чем больше ёмкость С, тем больше постоянная цепи разряда и ёмкость медленнее разряжается, т.е. лучше сглаживается ток нагрузки.

Рис. 18. Схема емкостного фильтра с мостовым двухполупериодным выпрямителем (а) и временные диаграммы напряжений и токов (б).