Исследование двухполупериодной схемы выпрямления

Цель работы — исследование двухполупериодной схемы выпрямления с нулевым выводом и сглаживающего RС-фильтра; построение нагрузочной характеристики выпрямителя (рис. 42).

Пояснения. Выпрямителями (рис. 43) называют устройства, служащие для преобразования переменных напряжений и токов в постоянные, используемые для питания радиоэлектронной аппаратуры. Переменное напряжение U₁ сети поступает на первичную обмотку трансформатора Т, с вторичной обмотки которого напряжение U₂ подается на выпрямитель В. Выпрямленное пульсирующее напряжение сглаживается фильтром Ф, превращаясь в постоянное напряжение U_Rн для питания устройства, эквивалентно представленного резистором нагрузки Rн Схема двухполупериодного выпрямителя с нулевым выводом трансформатора (вывод 2) с активной нагрузкой Rн показана на рис. 44, а. Вторичная обмотка трансформатора выполнена так, чтобы в точках 1 и 3 были одинаковые, но противофазные относительно точки 2 напряжения U'₂ и U''₂ (рис. 44, б).

Рассмотрим работу схемы в полупериод, когда в точке 1 относительно точки 2 действует положительное напряжение, а в точке 3 — отрицательное. Напряжение U'₂ вызывает ток I_VD1 (рис. 44, в), который проходит по цепи (рис. 44, а): вывод 1, диод VD1, резистор Rн, вывод 2. Таким образом, ток в нагрузку отдает верхняя половина вторичной.

обмотки трансформатора. Этот ток создает на резисторе нагрузки R_H падение напряжения U_Rh (рис. 44, д), полярность которого указана на рис. 44, а, а амплитуда равна амплитуде напряжения U'₂, т. е. U_2m. В течение этого полупериода диод VD2 закрыт напряжением, действующим между выводами 1 и 3, а следовательно, его максимальное напряжение равно 2U_2m (рис. 44, е). На диоде VD1, проводящем ток в течение всего полупериода, образуется небольшое прямое падение напряжения Uпр.

В следующий полупериод диод VD2 начинает проводить ток I_VD2 (рис. 44, г) по цепи (рис. 44, а): вывод 3, диод VD2, резистор R_H, вывод 2. При этом на нагрузке появляется синусоидальный импульс напряжения той же полярности, что и в первый полупериод. В течение этого полупериода диод VD1 закрыт.

Таким образом, диоды поочередно каждый в течение своего полупериода проводят ток в общую нагрузку. Частота пульсаций выходного напряжения двухполупериодной схемы равна удвоенной частоте сети, так как за период напряжения сети ток в нагрузке и напряжение на ней дважды достигают максимума. Двухполупериодную схему применяют в сильноточных низковольтных выпрямителях. Это объясняется тем, что в цепи тока нагрузки в любой момент выпрямительного процесса находится только один диод.

Пульсации выпрямленного напряжения оценивают коэффициентом пульсацый к_п, являющимся отношением амплитуды первой гармоники U_1m к среднему значению напряжения на нагрузке U_{Rн. cp}:

k_п=U_lm/U_Rнас (13).

Коэффициент пульсаций двухполупериодной схемы выпрямления без сглаживающего фильтра К_п = 0,67. Сглаживающий фильтр уменьшает k_п. Это его свойство оценивается коэффициентом сглаживания К_СГл, который является отношением коэффициентов пульсаций на входе К_пвх и выходе К_п._Вых фильтра:

Простейшим сглаживающим фильтром является емкостный, состоящий из конденсатора, подключенного параллельно нагрузке R_H. Заряжаясь во время, когда напряжение на входе фильтра близко к максимальному, конденсатор отдает запасенную энергию в нагрузку при уменьшении входного напряжения. В схеме, которая была показана на рис. 42, сглаживающим может быть, например, конденсатор С1. Коэффициент сглаживания емкостного фильтра тем выше, чем больше емкость конденсатора. Правда, при этом укорачиваются импульсы тока подзаряда конденсатора, а следовательно, растет из амплитуда, что усложняет работу выпрямительных диодов. Емкостные фильтры широко применяют в источниках питания радиоэлектронных устройств, так как они просты и недороги.

Намного эффективнее сглаживающий фильтр, состоящий из двух звеньев: емкостного С1 и RC-звена из элементов R1 и С2. Напряжение на конденсаторе С1 поднимается почти до амплитуды входного, при этом предварительно сглаживаются пульсации. Для их окончательного сглаживания служит второе звено. Такой фильтр прост в изготовлении и недорог. Недостатком RС-фильтров является низкий кпд. Обычно на резисторе R1 теряется до 10% выпрямленного напряжения, что допустимо только в маломощных источниках питания.

Внешняя, или нагрузочная, характеристика источника питания выражает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки и показывает, в какой степени уменьшается выходное напряжение источника при увеличении нагрузки.