Однополупериодная схема.
Первичная обмотка трансформатора Тр включается в сеть переменного тока (рис. 71, а), а к вторичной обмотке через вентиль Д подключается нагрузка г. Если к первичной обмотке трансформатора подвести переменное напряжение и1, то на зажимах а и б вторичной обмотки трансформатора возникает переменное напряжение и2 (рис. 71, б).
Рис. 71. Однофазная однополупериодная схема выпрямления и диаграммы напряжений и токов
Допустим, что при положительном полупериоде напряжения точка а (см. рис. 71) имеет положительный потенциал относительно точки б. Сопротивление вентиля за этот полупериод можно принять равным нулю. В результате этого через вентиль и нагрузку пройдет ток. Выпрямленное напряжение за этот полупериод будет равно напряжению на второй обмотке трансформатора. За отрицательный полупериод, когда изменится полярность в точках а и б, сопротивление вентиля можно будет принять равным бесконечности, а обратный ток — равным нулю.
Таким образом, ток во вторичной цепи будет проходить только за положительный полупериод напряжения. На рис. 71, в представлены кривые выпрямленного тока i0 и выпрямленного напряжения и0 =i0r при активной нагрузке.
Средним значением выпрямленного тока называется такое значение постоянного тока, при котором в течение периода через поперечное сечение проводника проходит такое же количество электричества, что и при выпрямленном токе. Графически среднее значение выпрямленного тока I0 выразится высотой прямоугольника (см. рис. 71, в) с основанием, равным Т, и площадью, равной площади, ограниченной кривой тока с осью абсцисс за период.
Для рассматриваемой схемы
При положительном полупериоде сопротивление, а следовательно, и падение напряжения на вентиле будут равны нулю. Во время отрицательного полупериода сопротивление вентиля можно считать бесконечно большим, а выпрямленный ток i0 и напряжение
— равными нулю. В результате этого напряжение вторичной обмотки трансформатора будет приложено к вентилю.
Наибольшее значение обратного напряжения на вентиле будет равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора
Для рассматриваемой схемы действующие значения тока и напряжения вторичной обмотки трансформатора I2 = 1,57I0; U2 = 2,22I0.
При синусоидальном токе произведения
выражают полные мощности обмоток. В том случае, когда по обмоткам трансформатора проходят несинусоидальные токи, эти произведения выражают расчетную (типовую) мощность обмоток трансформатора.
Расчетная мощность всего трансформатора, выраженная в вольт- амперах, условно определяется как полусумма расчетных мощностей
обеих обмоток
. По расчетной мощности определяют размеры трансформатора. Эта мощность всегда больше выходной мощности выпрямителя
Отношение
называется коэффициентом использования трансформатора. Чем больше коэффициент Pт, тем лучше используются обмотки трансформатора и тем меньше его размеры и масса.
При однополупериодном выпрямлении ток и напряжение на нагрузке один раз за период достигают максимального значения. Следовательно, частота основной гармоники равна частоте переменного напряжения сети, т. е. 50 Гц.
Можно доказать, что амплитуда основной гармоники напряжения 
, следовательно, коэффициент пульсации
Достоинством однофазной однополупериодной схемы является ее простота. К недостаткам схемы относятся: большая величина и низкая частота пульсации, что приводит к увеличению размеров и стоимости фильтров; плохое использование трансформатора (Κ2=0,324), что вызывает увеличение его размеров и стоимости; большое обратное напряжение на вентиле (
); большое максимальное значение прямого тока через вентиль
; намагничивание
сердечника трансформатора постоянной составляющей выпрямленного тока (вынужденное намагничивание), что приводит к увеличению сечения провода первичной обмотки и размеров всего трансформатора.
Из-за перечисленных недостатков однофазная однополупериодная схема применяется лишь в маломощных выпрямительных устройствах, где низкое использование трансформатора оправдывается экономией, полученной от применения в схеме одного вентиля.
Двухполупериодная схема (рис. 72, а).
В схеме используется трансформатор Тр, вторичная обмотка которого имеет нулевой вывод 0 (средняя точка). Поэтому схему часто называют схемой с нулевой точкой. В схеме применены два вентиля Д1 и Д2, аноды которых подключены к концам а и б вторичной обмотки. Между общей точкой К катодов вентилей и средней точкой вторичной обмотки трансформатора включена нагрузка г.
Синусоидальные напряжения u2, и2 вторичной обмотки трансформатора всегда равны по величине, но сдвинуты одно относительно другого по фазе на 180° (рис. 72, б). В первый полупериод, когда точка а (см. рис. 72, а) имеет положительный потенциал, а точка б — отрицательный, ток I0 проходит от точки а через вентиль Д1 и резистор г к точке 0. Вентиль Д2 в это время находится под обратным напряжением. Во второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток I0 проходит от точки б через вентиль Д2 и резистор r к точке 0. К вентилю Д1 в это время подводится обратное напряжение. Таким образом, по сопротивлению нагрузки r за оба полупериода переменного напряжения проходит ток в одном и том же направлении.
На рис. 72, в изображены кривые выпрямленного тока i0 и напряжения u0=i0r. Общая точка К (см. рис. 72, а) катодов вентилей является для нагрузки положительным полюсом, а средняя точка трансформатора — отрицательным полюсом.
В двухполупериодной схеме выпрямления в отличие от однофазной однополупериодной схемы по вторичной обмотке трансформатора Tр ток проходит в течение обоих полупериодов. При этом токи полуобмоток имеют противоположное направление. Следовательно, постоянная составляющая одного тока уравновешивает постоянную составляющую другого тока и вынужденное намагничивание трансформатора отсутствует. В результате этого по первичной обмотке трансформатора проходит синусоидальный ток i1 (рис. 72, г).
Основные соотношения для однофазной двухполупериодной схемы с идеальными вентилями, работающей на активную нагрузку, приведены в табл. 3.
Анализируя эти соотношения, можно отметить следующие преимущества однофазной двухполупериодной схемы перед однополупериодной схемой: размеры и масса трансформатора значительно уменьшаются благодаря лучшему использованию трансформатора и отсутствию вынужденного намагничивания; амплитудное значение тока через вентиль уменьшается в 2 раза; уменьшаются размеры и масса сглаживающего фильтра вследствие увеличения частоты основной гармоники и уменьшения коэффициента пульсации. По величине максимального обратного напряжения на вентиле обе схемы равноценны.
Однофазную двухполупериодную схему широко применяют в выпрямительных устройствах малой мощности для электропитания усилителей, радиоприемников и т. д.
Мостовая схема (рис. 73, а).
В схему включают четыре вентиля по схеме измерительного моста. К одной диагонали моста подводится переменное напряжение U2, а к другой диагонали присоединяется нагрузка г. За первый полупериод, когда точка а имеет положительный потенциал, а точка б — отрицательный, ток i0 проходит от точки а через вентиль Д1, резистор r и вентиль Д3 к точке б. Вентили Д2 и Д4 за этот полупериод находятся под обратным, напряжением. За второй полупериод, когда полярность точек а и б изменится, ток ί0 проходит от точки б через вентиль Д2, резистор г и вентиль Д4 к точке а. Вентили Д1 и Д3 в это время находятся под обратным напряжением. Таким образом, ток через нагрузку г проходит в одном направлении за оба полупериода напряжения U2.
Общая точка К катодов вентилей Д1 и Д2 является для нагрузки положительным полюсом, а общая точка А анодов вентилей Д3 и Д4 — отрицательным полюсом.
Ток ί2 во вторичной обмотке трансформатора проходит оба полупериода и является синусоидальным (рис. 73, б), В нем нет постоянной составляющей и вынужденное намагничивание сердечника трансформатора отсутствует. На рис. 73, в представлены кривые выпрямленного тока i0 и напряжения и0=f0r. Так как выпрямленный ток в однофазной мостовой схеме 2 раза за один период достигает своего максимального значения, частота основной гармоники будет в 2 раза больше частоты сетевого напряжения 100 Гц.
Таблица 3
* Для трехфазной однополупериодной и трехфазной мостовой схем U2 — фазное напряжение вторичной обмотки.
Рис. 73. Однофазная мостовая схема выпрямления и диаграммы напряжений и токов
Основные параметры однофазной мостовой схемы для идеальных вентилей, работающих на активную нагрузку, приведены в табл. 3. Однофазная мостовая схема имеет ряд преимуществ перед однофазной двухполупериодной схемой с нулевым выводом: размеры и масса трансформатора уменьшаются благодаря лучшему использованию его обмоток; не требуется специального вывода от средней точки вторичной обмотки; напряжение на зажимах вторичной обмотки и обратное напряжение на один вентиль уменьшаются в 2 раза.
К недостаткам однофазной мостовой схемы относятся: необходимость применения четырех вентилей; последовательное включение двух работающих вентилей (особенно высокоомных), приводящее к уменьшению выпрямленного напряжения с увеличением тока нагрузки; действующее значение тока вторичной обмотки в √2 раз больше действующего значения тока в схеме с нулевым выводом, что требует увеличения сечения провода вторичной обмотки на 20 %.
Однофазная мостовая схема с полупроводниковыми вентилями широко применяется в устройствах железнодорожной связи.