Выпрямительный диод с емкостным фильтром

Рассмотрим простейшую схему, предназначенную для выпрямления переменного тока в постоянный, в сочетании с емкостным сглаживающим фильтром (рис. 12.2). Характерис- тику диода примем идеальной (рис. 12.1, а). Тогда диод по своим характеристикам повторяет ключ, включаемый напряжением диода u_д>0 и выключаемый током диода i_д<0.

Пусть напряжение на входных зажимах цепи u=U_msinωt.

В момент времени t =0 диод открывается, в этот момент цепь подключается к источнику синусоидальной эдс и происходит

быстротекущий переходный процесс зарядки конденсатора через диод. Для интервала времени 0<t<t₁ эквивалентная расчетная схема приведена на рис. 12.3.

Пренебрегая быстротекущим переходным процессом зарядки конденсатора, будем считать, что напряжение параллельных ветвей практически сразу устанавливается равным входному напряжению и в сопротивлении нагрузки, и в конденсаторе возникают токи:

     ; ;

В некоторый момент времени t₁ ток диода станет равным нулю, диод закроется, то есть его сопротивление будет равно бесконечности, что эквивалентно размыканию ключа, и схема примет вид, как показано на рис. 12.4. Конденсатор начнет разряжаться через сопротивление нагрузки. Для этого момента времени можно записать

     ,

откуда   , а угол ωt₁>90⁰.

Рассчитаем процесс разрядки конденсатора классическим методом. Напряжение на зажимах конденсатора будет определяться как сумма принужденной и свободной составляющих:      .

 В установившемся режиме u_cnp=0. В начальный момент времени напряжение конденсатора ,

откуда   ,

а ток      i_Н = - i_{C = .}

Разрядка конденсатора происходит до того момента, когда отрицательное напряжение на диоде u_Д = u - u_C станет равным нулю и диод начнет пропускать ток. Этому соответствует момент времени t₂, для которого u_Д=u-u_C =0 или

     .

Это уравнение не решается аналитически, и значение времени t₂ можно определить графически по точке пересечения кривых u(t) и u_C(t) (рис. 12.5).

Рис. 12.5

Начиная с момента времени t₂, диод опять пропускает ток до тех пор, пока в момент времени t₃ диод снова не закроется. Таким образом, в цепи почти сразу устанавливается периодический процесс с периодом Т.

Процессом разрядки конденсатора можно управлять, изменяя постоянную времени переходного процесса τ =R_НC. Чем больше емкость конденсатора С и сопротивление нагрузки R_H, тем медленнее идет разряд конденсатора, тем меньше переменная составляющая тока в сопротивлении нагрузки.

Рассмотренная схема выпрямителя с конденсатором часто применяется в электронной технике. Так, в электронном амплитудном вольтметре выпрямленное напряжение при сравнительно большом значении постоянной времени переходного процесса остается равным амплитудному значению переменного напряжения. В этих же значениях градуируется и шкала вольтметра.

Если в составе спектра выпрямленного напряжения u_H будет основная гармоника, то с помощью фильтра можно выделить эту гармонику и не пропустить ни постоянной составляющей, ни высших гармоник.

Управляемый вентиль с активно-реактивной

Нагрузкой

На практике получили большое распространение трехэлектродные управляемые полупроводниковые вентили - тиристоры.

В отличие от неуправляемого вентиля, рассмотренного выше, тиристор открывается в тот момент, когда на управляющий электрод поступает положительный импульс (при условии, что в этот момент времени напряжение на аноде положительно). Изменяя момент поступления управляющего импульса, можно изменять интервал времени, в течение которого через вентиль проходит ток, то есть управлять постоянной составляющей выпрямленного напряжения.

Простейший однополупериодный выпрямитель с управляемым тиристором VT и активно-индуктивной нагрузкой показан на рис. 12.6.

Пусть отпирающий импульс подан на управляющий электрод в момент времени t₁, соответствующий углу отпирания . Угол отпирания отсчитывается от начала положительной полуволны. Этому моменту времени соответствует расчетная схема цепи, показанная на рис. 12.7.

По расчетной схеме замещения найдем ток в цепи:

где        , ,

              , .

Постоянную интегрирования найдем, записав выражение для тока при t=t₁:

     .

Согласно первому закону коммутации i(t₁)=0, тогда

     _.

Искомый ток будет определяться функцией

.

На рис. 12.8 построены кривые тока i(t) и напряжения u_ав(t).

 Рис. 12.8

Тиристор закроется, когда его ток станет равен нулю i(t₂)=0. Этот момент времени t₂ определяется графически.