Принцип работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Главная » Справочник » Принцип работы однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Хотя полуволновой выпрямитель используется в некоторых схемах с низким энергопотреблением, например, пиковый детектор, он редко используется в силовых выпрямителях. Более популярным силовым выпрямителем является двухполупериодный выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель является более сложным по конструкции, чем полуволновой выпрямитель, но он обладает некоторыми значительными преимуществами. Он использует оба полупериода синусоидальной волны, в результате чего выходное постоянное напряжение выше, чем у полуволнового выпрямителя.

Еще одним преимуществом является то, что выходное напряжение имеет гораздо меньше пульсаций, что облегчает получение плавного выходного сигнала.

Двухполупериодный выпрямитель

Для выпрямления обоих полупериодов синусоиды в двухполупериодном выпрямителе используются два диода, по одному на каждую половину цикла. Также в таком выпрямителе используется трансформатор, имеющий во вторичной обмотке центральный отвод.

Двухполупериодный выпрямитель похож на два полуволновых выпрямителя. На следующем рисунке показана двухполупериодная схема выпрямителя.

Работу этой схемы легко понять по одному полупериоду за раз. Рассмотрим первый полупериод, когда точка A положительна по отношению к C. В это время диод D1 смещен в прямом направлении, а диод D2 — в обратном. Следовательно, только верхняя половина вторичной обмотки трансформатора обеспечивает ток в течение этого полупериода. Это создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе.

В течение следующего полупериода полярность напряжения источника меняется на противоположную. Теперь точка B положительна по отношению к C. На этот раз диод D2 смещен в прямом направлении, а диод D1 — в обратном. Как вы можете видеть, только вторая половина вторичной обмотки трансформатора обеспечивает ток. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.

В результате выпрямленный ток нагрузки протекает в течение обоих полупериодов, благодаря чему мы получаем двухполупериодный сигнал на нагрузке.

Счетчик Гейгера

Высококачественный счетчик Гейгера с высокой чувствительностью для обнаружен…

Подробнее

Величина выходного напряжения

Поскольку двухполупериодный выпрямитель выдает выходной сигнал в течение обоих полупериодов, он имеет в два раза больше положительных циклов, чем полуволновой выпрямитель. В результате среднее значение напряжения также в два раза больше:

Среднее значение напряжения за один цикл рассчитывается по следующей формуле:

Это уравнение указывает нам на то, что значение постоянного напряжения  составляет около 63,6% от пикового значения. Например, если пиковое напряжение входного сигнала составляет 10 В, напряжение на выходе выпрямителя будет 6,36 В

Когда вы измеряете при помощи вольтметра сигнал с выхода двухполупериодного выпрямителя, показания будут равны среднему значению.

Аппроксимация второго порядка

В действительности мы не получаем идеальное двухполупериодное напряжение на нагрузочном резисторе.

Из-за потенциального барьера, диод не включается, пока напряжение источника не достигнет около 0,7 В. Таким образом, выходное напряжение на 0,7 В ниже идеального пикового выходного напряжения.

Выходная частота

Двухполупериодный выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого у двухполупериодного выпрямителя на выходе есть в два раза больше циклов, чем на входе.

Поэтому частота двухполупериодного сигнала в два раза превышает входную частоту:

Например, если частота источника составляет 50 Гц, выходная частота будет 100 Гц.

Фильтрация напряжения двухполупериодного выпрямителя

Выходной сигнал, который мы получаем от двухполупериодного выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

Чтобы получить напряжение без пульсаций, нам необходимо отфильтровать выходной сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор, через нагрузочный резистор, как показано ниже:

Изначально конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод D1 смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как входное напряжение достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение станет меньше Vp, напряжение на конденсаторе будет выше входного напряжения, которое закроет диод.

Когда диод не проводит, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, диод D2 кратковременно открывается и заряжает конденсатор до пикового значения.

Недостатки двухполупериодного выпрямителя

Одним из недостатков двухполупериодного выпрямителя является необходимость в трансформаторе, имеющий во вторичной обмотке центральный отвод. По этой причине в мощных источниках питания размеры и стоимость таких трансформаторов существенно возрастают. Вот почему использование выпрямителя с центральным отводом оправдана только в устройствах с низким энергопотреблением.

Еще одним недостатком является то, что из-за центрального отвода для выпрямления используется только половина вторичного напряжения.

Чтобы избежать этих недостатков можно использовать мостовой двухполупериодный выпрямитель.

Тестер транзисторов / ESR-метр / генератор

Многофункциональный прибор для проверки транзисторов, диодов, тиристоров…

Подробнее

Двухполупериодные выпрямители

Введение

Выпрямитель – это механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. Большинство выпрямителей создаёт не постоянное напряжение и ток, а пульсирующее однонаправленное напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которого применяют фильтры.

Из распространенных схем неуправляемых выпрямителей (однополупериодных, двухполупериодных и мостовых) наиболее эффективны двухполупериодные. Сравнение основных их видов – со средней точкой и с удвоителем тока – показывает, что хотя оба выпрямителя имеют одинаковые динамические характеристики, удвоитель больше подходит для использования в области больших токов, так как в нем меньше соединений и потерь на вторичной стороне, а отсутствие средней точки дает возможность выбрать нечетное число витков.

Двухполупериодные выпрямители – это выпрямители, в которых ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода.

Двухполупериодные выпрямители могут строятся по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов). Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствии нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора – источника переменного тока – принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Данная работа не уникальна. Ее можно использовать, как базу для подготовки к вашему проекту.

Выпрямители широко используются в схемах питания различных радиоэлектронных устройств. С помощью выпрямителей возможно преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, что позволяет создать схемы питания с различными напряжениями при наличии одного источника энергии.

1. Литературный обзор двухполупериодных выпрямителей

Двухполупериодные схемы служат основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники. Эти источники обеспечивают постоянным напряжением питания электромашинные приводы механизмов, технологические процессы, электронные устройства. Знание свойств источников питания необходимо инженеру для грамотной их эксплуатации.

Рассмотрим несколько схем двухполупериодных выпрямителей.

1) Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

Достоинствами данной схемы является то, что она имеет лучший коэффициент использования вентилей по току, меньшую расчётную мощность трансформатора, меньший коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

К недостаткам схемы следует отнести: плохое использование вентилей по напряжению, высокое обратное напряжение, прикладываемое к выпрямительным диодам, усложнённая конструкция трансформатора.

2) Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя

Главным достоинством мостовой схемы являются: лучший коэффициент использования вентилей по напряжению, меньшая расчётная мощность трансформатора, благодаря этому мостовая схема широко применяется в установках малой и средней мощности, а также простота конструкции трансформатора.

Недостатками мостовой схемы являются: требуется строгая симметрия напряжений на обмотках, две обмотки вместо одной, большое обратное напряжение на диодах, удвоенное количество диодов по сравнению с выпрямителем со средней точкой. Однако суммарное сопротивление постоянному току двух диодов и обмотки мостового выпрямителя чаще оказывается меньше сопротивления одного диода и обмотки выпрямителя со средней точкой.

3) Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения

Данную схему используют, когда трудно намотать многовитковую вторичную обмотку, или когда обмотка имеющегося трансформатора дает недостаточное напряжение. Схема удвоения (как и однополупериодного выпрямителя) имеет круто падающую нагрузочную характеристику. Кроме того, при пробое одного из диодов переменное напряжение оказывается приложенным к электролитическому конденсатору, что обычно приводит к его взрыву. Достоинством схемы является то, что конденсаторы несколько сглаживают пульсации выпрямленного тока. Недостатком является то, что данную схему нельзя применять для получения выпрямленного напряжения свыше 200-300 В, так как возможен пробой изоляции в кенотроне между катодами и нитью накала.

4) Схема двухполупериодного выпрямителя с умножением напряжения представлена на рисунке 4.

Достоинством приведенной схемы является возможность получения высоких напряжений без высоковольтного трансформатора. Кроме того, конденсаторы должны иметь рабочее напряжение лишь 2Ет независимо от того, в какое число раз умножается напряжение, и каждый вентиль работает при максимальном обратном напряжении, равном только 2Ет. Если вентили имеют катод, требующий накала (например, кенотроны), то для каждого из них нужна отдельная обмотка накала. Удобнее применять в подобных схемах полупроводниковые вентили.

Рисунок 4 – Схема двухполупериодного выпрямителя с умножением напряжения

Недостатком данной схемы является то, что при включении нагрузочного сопротивления конденсаторы будут разряжаться, и напряжение на них понизится. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем быстрее разряжаются конденсаторы и тем ниже становится напряжение на них. Поэтому при недостаточно больших сопротивлениях нагрузки использование подобных схем становится нерациональным.

В соответствии с курсовыми данными, в наибольшей мере схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки соответствует заданным условиям, поэтому в дальнейшем будем опираться на данную схему.

2. Разработка структурной схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

Электрическая структурная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 5.

ИПрН – источник переменного напряжения,

Т – трансформатор,

Н – активная нагрузка,

АЭ – активные элементы VD1 и VD2.

Рисунок 5 – Структурная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

При включении сетевого напряжения (блок 1) на каждой половине вторичной обмотки трансформатора возникает напряжение. Трансформатор (блок 2) требуется для повышения или понижения вторичного напряжения при заданном первичном. Соотношение чисел витков вторичной и первичной обмоток трансформатора определяется величиной постоянного напряжения на выходе выпрямителя.

Вторичные обмотки трансформатора подключены к активным элементам диодам – VD1 и VD2 (блок 3). Диодом называют нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлен

Часть работы скрыты для сохранения уникальности. Зарегистрируйся и получи фрагменты + бесплатный расчет стоимости выполнения уникальной работ на почту.

ием протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным.

Ток проходит через один из диодов, затем через активную нагрузку (блок 4) и снова попадает на трансформатор. Активная нагрузка – это полезная мощность, отбираемая любой нагрузкой из электросети и преобразуемая в дальнейшем в любой вид энергии (механическую, тепловую, электрическую и т.п.).

В следующий полупериод полярность на концах обмотки меняется на обратную, и ток проходит через второй диод. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный.

3. Выбор принципиальной схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

Электрическая принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 – Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

При включении сетевого напряжения U1 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора возникает напряжение U2. В первый полупериод (в интервале времени от 0 до Т/2), когда потенциал точки 1 является положительным относительно точки 0, ток I21 проходит через диод VD1, нагрузку Rн и возвращается к точке 1, через половину вторичной обмотки.

В следующий полупериод полярность на концах обмотки меняется на обратную; диод VD1 закрывается, а диод VD2 открывается. С этого момента проводящим становится диод VD2 и через него начинает протекать ток I22; пройдя через нагрузку, он замыкается через вторую половину вторичной обмотки. Таким образом, через сопротивление нагрузки Rн поочерёдно проходят в одном и том же направлении токи I21 и I22. Эти токи будут одинаковыми, если схема симметрична. Так переменный ток преобразуется в постоянный.

Напряжения U21-0 и U20-2, измеренные на концах 1 и 2 вторичной обмотки трансформатора относительно средней точки 0, являются противофазными.

4. Расчёт двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

4.1 Исходные данные

двухполупериодный выпрямитель схема

При расчёте схемы заданными являются величины:

– выпрямленное напряжение на входе фильтра Uн=27В;

– выпрямленный ток Iн=0,5А;

– мощность нагрузки Рн=13,5Вт;

– напряжение сети Uc=220В;

– частота сети f=50Гц

– коэффициент пульсации Кп=0,1

Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 – Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки.

4.2 Особенности расчёта схемы

Выбор типа диодов.

Определяем обратное напряжение:

Средний ток равен:

Выбираем диод типа КД205Е ГОСТ 94342-69 с

Расчёт трансформатора.

Определяем сопротивление трансформатора:

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно:

Токи соответственно равны:

Вычисляем габаритную мощность трансформатора, которая для двухполупериодной схемы определяется выражением:

и находим произведение площади сечения сердечника трансформатора Qc на площадь окна сердечника Qо, которое в зависимости от марки провода обмотки равно:

для провода марки ПЭЛ;

для провода марки ПЭШО;

для провода марки ПШД.

Выбираем для нашего примера провод марки ПЭЛ. При этом получаем

Из таблицы «Основные данные типовых Ш-образных пластин трансформатора», по значению QcQо выбираем для сердечника трансформатора пластины типа Ш25 с Qо=15см2, шириной среднего стержня сердечника a=2,5 см, высотой окна h =2,5см и шириной окна b =2,5 см. При этом получаем:

Необходимая толщина пакета пластин будет равна:

Отношение

Определяем число витков и толщину провода d первичной и вторичной обмоток трансформатора:

Расчёт сопротивления нагрузки (Rн).

Определяем напряжение нагрузки:

Рассчитываем сопротивление нагрузки:

Выбираем резистор нагрузки типа ПЭВ-100 56 регулируемый до 56 Ом

ГОСТ 7113-77

Заключение

Двухполупериодный выпрямитель может строиться по мостовой или полумостовой схеме, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора – источника переменного тока – принять равным нулю и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора – должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой – на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Литература

1. Руденкова В. И. Основные узлы радиоэлектронной аппаратуры. Методика расчёта: Минск, 2008.

2. Ломов И. А., Сапожников Б. И. Выпрямители на полупроводниковых диодах: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993.

3. Галкин В.И. Промышленная электроника: Высшая школа, 1989.

4. Красько А.С., Скачко К.Г Промышленная электроника: Высшая школа, 1984.

5. Напалков А.Я. Промышленная электроника: Минск, 1972.

6. Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам: Таганрог, 2008.

7. Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Высшая школа, 1992.

8. Гершунский Б.С. Расчёт электронных схем: Высшая школа, 1994.

9. Изъюрова Г.И. Расчёт электронных схем. Примеры и задачи: Высшая школа, 1987.

10. Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Лаборатория базовых знаний, 2001.

11. Кастров М.И. Электроника: наука, технология, бизнес: Электроника, 2004.

Нормативная документация

1 ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.

2 ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах.

3 СТП 7-02 Общие правила оформления дипломных, курсовых, практических работ.

4 ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

5 ГОСТ 2.747-68* ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Размеры условных графических обозначений.

6 ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических установках вывода ЭВМ.

7 ГОСТ 19.404-79 Пояснительная записка. Требования к содержанию и оформлению.

8 ГОСТ 2.302-68 ЕСКД. Масштабы.

9 ГОСТ 2.102-68* ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.

Электронные схемы — двухполупериодные выпрямители

Цепь выпрямителя, которая выпрямляет как положительные, так и отрицательные полупериоды, может называться двухполупериодным выпрямителем, поскольку выпрямляет полный цикл. Конструкция двухполупериодного выпрямителя может быть двух типов. Они есть

• Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом
• Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Оба из них имеют свои преимущества и недостатки. Давайте теперь рассмотрим как их построение, так и работу с их формами волны, чтобы узнать, какая из них лучше и почему.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

Цепь выпрямителя, чья вторичная обмотка трансформатора подключена для получения требуемого выходного напряжения, с использованием двух диодов для альтернативного выпрямления полного цикла, называется двухполупериодной цепью выпрямителя с центральным отводом . В отличие от других случаев трансформатор здесь отводится по центру.

Особенности центрирующего трансформатора –

• Постукивание осуществляется путем вытягивания провода в средней точке вторичной обмотки. При этом эта обмотка делится на две равные половины.

• Напряжение в повернутой средней точке равно нулю. Это формирует нейтральную точку.

• Отвод по центру обеспечивает два отдельных выходных напряжения, которые равны по величине, но противоположны по полярности друг другу.

• Для получения различных уровней напряжений можно вытянуть несколько обмоток.

Постукивание осуществляется путем вытягивания провода в средней точке вторичной обмотки. При этом эта обмотка делится на две равные половины.

Напряжение в повернутой средней точке равно нулю. Это формирует нейтральную точку.

Отвод по центру обеспечивает два отдельных выходных напряжения, которые равны по величине, но противоположны по полярности друг другу.

Для получения различных уровней напряжений можно вытянуть несколько обмоток.

Трансформатор с центральным отводом и двумя выпрямительными диодами используется в конструкции двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом . Принципиальная электрическая схема двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом показана ниже.

Работа CT-FWR

Работу двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом можно понять по приведенному выше рисунку. Когда прикладывается положительный полупериод входного напряжения, точка М на вторичной обмотке трансформатора становится положительной по отношению к точке N. Это делает диод D1 смещенным в прямом направлении. Следовательно, ток i1 протекает через нагрузочный резистор от A до B. Теперь у нас есть положительные полупериоды на выходе

Когда прикладывается отрицательный полупериод входного напряжения, точка М на вторичной обмотке трансформатора становится отрицательной по отношению к точке N. Это делает диод D2 смещенным в прямом направлении. Следовательно, ток i2 протекает через нагрузочный резистор от А до В. Теперь у нас есть положительные полупериоды на выходе, даже во время отрицательных полупериодов на входе.

Формы волны CT FWR

Форма входных и выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом выглядит следующим образом.

Из приведенного выше рисунка видно, что выходные данные получены как для положительных, так и для отрицательных полупериодов. Также наблюдается, что выходной сигнал через нагрузочный резистор имеет одинаковое направление для обоих полупериодов.

Пиковое обратное напряжение

Поскольку максимальное напряжение на половине вторичной обмотки составляет Vm, все вторичное напряжение появляется на непроводящем диоде. Следовательно, пиковое обратное напряжение в два раза превышает максимальное напряжение на полу-вторичной обмотке, т.е.

PIV=2Vm

Недостатки

Есть несколько недостатков для выпрямителя с центральным ответвлением, таких как –

• Расположение центра постукивания сложно
• Выходное напряжение постоянного тока мало
• PIV диодов должен быть высоким

Следующим типом двухполупериодной выпрямительной цепи является мостовая двухполупериодная выпрямительная схема .

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Это такая двухполупериодная схема выпрямителя, в которой используются четыре диода, соединенных в виде моста, чтобы не только создавать выходной сигнал в течение полного цикла ввода, но и устранять недостатки двухполупериодной выпрямительной схемы с центральным отводом.

В этой цепи нет необходимости в центральном постукивании трансформатора. Четыре диода, называемые D1, D2, D3 и D4, используются при построении сети мостового типа, так что два из диодов проводят один полупериод, а два – другой полупериод входного питания. Схема мостового двухполупериодного выпрямителя показана на следующем рисунке.

Работа мостового двухполупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами, соединенными в мостовой схеме, используется для получения лучшего отклика на двухволновом выходе. Когда задан положительный полупериод входного питания, точка P становится положительной по отношению к точке Q. Это делает диод D1 и D3 смещенным в прямом направлении, а D2 и D4 – в обратном направлении. Эти два диода теперь будут последовательно подключены к нагрузочному резистору.

На следующем рисунке это показано вместе с обычным током в цепи.

Следовательно, диоды D1 и D3 проводят в течение положительного полупериода входного питания, чтобы создать выходной сигнал вдоль резистора нагрузки. Поскольку два диода работают для получения выходной мощности, напряжение будет вдвое превышать выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с центральным выводом.

Когда задан отрицательный полупериод входного питания, точка P становится отрицательной по отношению к точке Q. Это делает диод D1 и D3 смещенным в обратном направлении, тогда как D2 и D4 смещены в обратном направлении. Эти два диода теперь будут последовательно подключены к нагрузочному резистору.

На следующем рисунке это показано вместе с обычным током в цепи.

Следовательно, диоды D2 и D4 проводят во время отрицательного полупериода входного питания, создавая выход вдоль нагрузочного резистора. Здесь также два диода работают, чтобы произвести выходное напряжение. Ток течет в том же направлении, что и во время положительного полупериода входа.

Форма волны моста FWR

Форма входных и выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом выглядит следующим образом.

Из приведенного выше рисунка видно, что выходные данные получены как для положительных, так и для отрицательных полупериодов. Также наблюдается, что выходной сигнал через нагрузочный резистор имеет одинаковое направление для обоих полупериодов.

Пиковое обратное напряжение

Всякий раз, когда два из диодов параллельны вторичной обмотке трансформатора, максимальное напряжение вторичной обмотки на трансформаторе появляется в непроводящих диодах, что делает PIV цепи выпрямителя. Следовательно, пиковое обратное напряжение является максимальным напряжением на вторичной обмотке, т.е.

PIV=Vm

преимущества

Мостовой двухполупериодный выпрямитель имеет много преимуществ, таких как –

• Нет необходимости постукивать по центру.
• Выходное напряжение постоянного тока в два раза выше, чем у FWR центральных отводов.
• PIV диодов в два раза меньше, чем у FWR центрального датчика.
• Конструкция схемы проще с лучшим выходом.

Давайте теперь проанализируем характеристики двухполупериодного выпрямителя.

Анализ двухполупериодного выпрямителя

Чтобы проанализировать схему двухполупериодного выпрямителя, предположим, что входное напряжение Vi равно

Vi=Vm sin omegat

Ток i1 через нагрузочный резистор RL определяется как

i1=Im sin omegat quadдля quad0 leq omegat leq pi

i1= quad0 quad quad quadдля quad pi leq omegat leq2 pi

куда

im= гидроразрываVmRF+RL

Rf – сопротивление диода в состоянии ВКЛ.

Аналогично, ток i2, протекающий через диод D2 и нагрузочный резистор RL, определяется как

i2= quad0 quad quad quadдля quad0 leq omegat leq pi

i2=Im sin omegat quadдля quad pi leq omegat leq2 pi

Общий ток, протекающий через RL, является суммой двух токов i1 и i2, т.е.

I=i1+i2

DC или средний ток

Среднее значение выходного тока, которое показывает амперметр постоянного тока, определяется как

Idc= frac12 pi int2 pi0i1d left( omegat right)+ frac12 pi int2 pi0i2d left( omegat right)

= frac12 pi int pi0Im sin omegatd left( omegat right)+0+0+

 frac12 pi int2 pi0Im sin omegatd left( omegat right)

= fracIm pi+ fracIm pi= frac2Im pi=0. 636Im

Это вдвое превышает значение полуволнового выпрямителя.

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока на нагрузке определяется как

Vdc=Idc timesRL= frac2ImRL pi=0.636ImRL

Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя.

RMS Current

Среднеквадратичное значение тока определяется как

Irms= left[ frac1 pi int pi0t2d left( omegat right) right] гидроразрыва12

Поскольку ток имеет две одинаковые формы в двух половинах

= left[ fracI2m pi int pi0 sin2 omegatd left( omegat right) right] frac12

= гидроразрываim SQRT2

Эффективность выпрямителя

Эффективность выпрямителя определяется как

 ета= гидроразрываР−постоянногоР−ас

Сейчас,

Pdc= left(Vdc right)2/RL= left(2Vm/ pi right)2

А также,

Pac= left(Vrms right)2/RL= left(Vm/ sqrt2 right)2

Следовательно,

 eta= fracPdcPac= frac left(2Vm/ pi right)2 left(Vm/ sqrt2 right)2= гидроразрыва8 р2

=0,812=81,2%

Эффективность выпрямителя можно рассчитать следующим образом:

Выходная мощность постоянного тока,

Pdc=I2dcRL= frac4I2m pi2 timesRL

Входная мощность переменного тока,

$$ P_ {ac} = I_ {rms} ^ {2} \ left (R_f + R_L \ right) = \ frac {I_ {m} ^ {2}} {2} \ left (R_f + R_L \ right) $ $

Следовательно,

 eta= frac4I2mRL/ pi2I2m left(Rf+RL right)/2= frac8 pi2 fracRL left(Rf+RL right)

= \ frac {0. 812} {\ left \ {1+ \ left (R_f / R_L \ right) \ right \}}

Следовательно, процентная эффективность

= frac0.8121+ left(Rf+RL right)

=81.2% quadifRf=0

Таким образом, двухполупериодный выпрямитель имеет эффективность, в два раза превышающую эффективность полуволнового выпрямителя.

Пульсационный фактор

Форм-фактор выпрямленного выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя задается

F= гидроразрываIэффIпостоянноготока= гидроразрываim/ SQRT22Im/ р=1,11

Коэффициент пульсации  gamma определяется как (с использованием теории цепей переменного тока)

 gamma= left[ left( fracIrmsIdc right)−1 right] frac12= left(F2−1 справа) frac12

= left[ left(1.11 right)2−1 right] frac12=0,48

Это значительное улучшение по сравнению с коэффициентом пульсации полуволнового выпрямителя, равным 1,21.

регулирование

Выходное напряжение постоянного тока определяется как

Vdc= frac2ImRL pi= frac2VmRL pi left(Rf+RL right)

= frac2Vm pi left[1− fracRfRf+RL right]= frac2Vm pi−IdcRf

Коэффициент использования трансформатора

TUF полуволнового выпрямителя составляет 0,287

В выпрямителе с центральным отводом имеются две вторичные обмотки, и, следовательно, TUF двухполупериодного выпрямителя с центральным выводом

 left(TUF right)avg= fracPdcVAрейтингofaтрансформатор

= frac left(TUF right)p+ left(TUF right)s+ left(TUF right)s3

= гидроразрыва0,812+0,287+0,2873=0,693

Полуволна против полноволнового выпрямителя

Изучив все значения различных параметров двухполупериодного выпрямителя, давайте просто попробуем сравнить и сопоставить особенности полуволновых и двухполупериодных выпрямителей.

Двухполупериодный выпрямитель — Выпрямители — Основы электроники

Выпрямители

Двухполупериодный выпрямитель представляет собой устройство, в котором два или более диода расположены чтобы ток нагрузки протекал в одном и том же направлении в течение каждого полупериода подача переменного тока.

Обычный двухполупериодный выпрямитель

Схема базового двухполупериодного выпрямителя показана на виде А рисунка ниже. Трансформатор Tr обеспечивает питание двух диодных выпрямителей, Д ₁ и Д ₂ . Этот трансформатор имеет вторичная обмотка с отводом от середины, разделенная на две равные части (W1 и W2). W1 обеспечивает напряжение источника для D ₁ , а W2 обеспечивает напряжение источника для D ₂ . Напряжения на встречке концы вторичных обмоток сдвинуты по фазе на 180 градусов друг к другу. Например, когда напряжение в точке В положительно относительно земли, напряжение в точке А отрицательно относительно земли. Соединения с диодами расположены так, что диоды проводят на чередование полупериодов. Рассмотрим работу схемы в течение одного полного цикла.

Обычный двухполупериодный выпрямитель.

В течение первого полупериода (указано сплошными стрелками) напряжение в точке А положительно по отношению к земле, а напряжение в точке B отрицательно относительно земли. Во время этого чередования анод D ₂ становится отрицательным. и D ₂ не может проводить. За время, в течение которого анод D ₂ отрицательный, анод D ₁ это положительный, разрешающий D ₁ проводить. Как показано, ток течет из точки А трансформатор, через диод D ₁ , вниз через нагрузочный резистор ( R _L ) на массу (центральный отвод). Когда D ₁ проводит, он действует как замкнутый переключатель, так что положительный полупериод ощущается через нагрузку ( R _L ).

Во время второго полупериода (обозначено пунктирными линиями) полярность приложенное напряжение изменилось на противоположное. Теперь анод Д ₂ есть положительный относительно земли и анод D ₁ отрицательный. Теперь только D ₂ могут проводить. Ток теперь течет, как показано, от точки B трансформатора, через диод D ₂ , вниз через нагрузочный резистор ( R _L ) к заземление (центральный кран). Обратите внимание, что ток течет через нагрузочный резистор ( R _L ) в одном направлении для обоих половины входного цикла.

Вид B на приведенном выше рисунке представляет форму выходного сигнала полноволнового выпрямитель. Форма сигнала состоит из двух импульсов тока (или напряжения) для каждого цикл входного напряжения. Частота пульсаций на выходе Таким образом, двухполупериодный выпрямитель в два раза превышает частоту сети.

Более высокая частота на выходе двухполупериодного выпрямителя дает отчетливую Преимущество: из-за более высокой частоты пульсаций выход близко приближается к чистому DC. Более высокая частота также значительно упрощает фильтрацию. чем на выходе однополупериодного выпрямителя.

По пиковому значению среднее значение тока и напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя вдвое больше, чем на выходе полупериодный выпрямитель. Соотношение между пиковым значением и средним значение показано на рисунке ниже. Поскольку форма выходного сигнала по существу синусоидальная волна с обоими чередованиями одной и той же полярности, средний ток или напряжение составляет 63,7 процента (или 0,637) от пикового тока. I _{пиковое} или напряжение В _пик .

Пиковые и средние значения для двухполупериодного выпрямителя.

В виде уравнения:

Пример:
Общее напряжение на высоковольтной вторичной обмотке трансформатор, используемый для питания двухполупериодного выпрямителя, составляет 300 вольт. Найдите среднее напряжение нагрузки (не учитывать небольшое падение напряжения на диоде).

Решение:
Поскольку общее вторичное напряжение ( В _S ) составляет 300 вольт, каждый на диод подается половина этого значения, или 150 вольт. Потому что вторичка напряжение является среднеквадратичным значением, пиковое напряжение нагрузки составляет:

Среднее напряжение нагрузки:

Каждая электрическая цепь имеет преимущества и недостатки. Полная волна выпрямитель не исключение. При изучении двухполупериодного выпрямителя у вас может возникнуть обнаружил, что при удвоении выходной частоты среднее напряжение удваивается, и результирующий сигнал намного легче фильтровать из-за высокой пульсации частота. Единственным недостатком является то, что пиковое напряжение в полной волне выпрямителя составляет только половину пикового напряжения в однополупериодном выпрямителе. Это потому что вторичная обмотка трансформатора в двухполупериодном выпрямителе центр постучал; поэтому на каждый диод поступает только половина напряжения источника.

К счастью, есть выпрямитель, который выдает такое же пиковое напряжение. как однополупериодный выпрямитель и с той же частотой пульсаций, что и двухполупериодный выпрямитель. Эта схема, известная как мостовой выпрямитель , будет предметом нашего рассмотрения. следующее обсуждение.

Мостовой выпрямитель

Когда четыре диода подключены, как показано на рисунке ниже, схема называется мостовым выпрямителем . Вход в схему подается на диагонально противоположные углы сети, а выход берется из оставшихся двух углов.

Мостовой выпрямитель.

Один полный цикл операции будет обсуждаться, чтобы помочь вам понять, как эта схема работает. Допустим, есть положительный потенциал в точке A и отрицательный потенциал в точке B. Положительный потенциал в точке A произойдет прямое смещение D ₃ и обратное смещение Д ₄ . Отрицательный потенциал в точке B вызовет смещение вперед D ₁ и обратное смещение D ₂ . В на этот раз D ₃ и D ₁ смещены вперед и позволит току проходить через них; Д ₄ и D ₂ смещены в обратном направлении и блокируют ток. путь тока течет из точки А через D ₃ , вниз через R _L , через D ₁ до точки B. Этот путь обозначен сплошными стрелками.

Через полпериода полярность на вторичной обмотке трансформатора реверс, смещение вперед Д ₂ и Д ₄ и обратное смещение D ₁ и D ₃ . Текущий поток теперь будет из точки B через D ₂ , вниз через R _L , через D ₄ до точки А. Этот путь обозначено ломаными стрелками. Вы должны были заметить, что текущий поток через R _L всегда в одном направлении. Протекая через R _L этот ток создает напряжение соответствует тому, что показано на выходном сигнале. Поскольку ток течет через нагрузку ( R _L ) в обе половины циклов приложенного напряжения, этот мостовой выпрямитель является двухполупериодным выпрямителем.

Одно из преимуществ мостового выпрямителя перед обычным двухполупериодным выпрямителем заключается в том, что с данным трансформатором мостовой выпрямитель производит выходное напряжение это почти в два раза больше, чем у обычной двухполупериодной схемы.

Описание двухполупериодных выпрямителей — HardwareBee

Выпрямители можно разделить на двухполупериодные и двухполупериодные выпрямители , и в этой статье подробно представлены характеристики и области применения двухполупериодного выпрямителя . Затем обсуждается краткое сравнение однополупериодного и двухполупериодного выпрямителя.

Выпрямитель — это тип преобразователя, который преобразует параметры переменного тока в параметры постоянного тока. Для достижения этой цели необходимо использовать цепь для выпрямления тока или напряжения. Самым простым и распространенным типом полупроводника является диод. Поскольку нет контроля над условиями включения и выключения диода, выпрямители на основе диодов известны как неуправляемые выпрямители. Фактически диод включается, когда напряжение на диоде превышает пороговое значение. И диод выключается, когда напряжение становится ниже порогового значения. Таким образом, пользователь не может контролировать состояние диода. Пороговое значение зависит от материала диода и производителя. Однако пороговое значение кремниевого диода и германиевого диода составляет около 0,7 В и 0,3 В соответственно. Другие типы полупроводников тиристор , полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET), биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT) и так далее. Поскольку в этой статье обсуждаются принципы выпрямления, будет объяснен выпрямитель на основе диода.

Диод — это неуправляемый полупроводниковый элемент, который позволяет току течь только в одном направлении и предотвращает ток в обратном направлении. Схема диода представлена ​​на рис. 1. Большинство полупроводников изготовлено из кремния, но для более точных применений также используется германий. Это полупроводниковое устройство имеет две клеммы, включая анод (положительный) и катод (отрицательный). Когда анодное напряжение больше, чем катодное, диод находится в прямом смещении и действует как замыкающий переключатель. Однако диод находится в инверсном состоянии, когда анодное напряжение меньше катодного (открытый ключ). Таким образом, отсутствует внешнее управление работой диода, кроме уровня напряжения на клеммах диода.

Рис. 1. Диодные клеммы

Однополупериодные выпрямители имеют высокие пульсации и низкие средние значения, что нежелательно для некоторых приложений. Следовательно, производительность выпрямителя можно улучшить, превратив однополупериодный выпрямитель в двухполупериодный. Существует две конфигурации однофазного двухполупериодного выпрямителя, включая трансформатор с отводом от середины и мостовую схему. Основным недостатком однополупериодного выпрямителя является то, что в полупериоде входного напряжения диод выключен, а выходное напряжение в этот полупериод равно нулю, что значительно снижает производительность выпрямителя. Таким образом, если в схему добавить еще один диод, который будет включаться в указанный полупериод, параметры выпрямителя будут значительно улучшены. Первая конфигурация, представленная в этой статье, представляет собой трансформатор с отводом от средней точки, который представляет собой модифицированную версию однополупериодного выпрямителя. Как видно на рисунке 2, в этой конфигурации два диода, что означает, что двухполупериодный выпрямитель имеет более высокую стоимость. Кроме того, трансформатор с отводом от средней точки более сложен.

Рисунок 2. Использование трансформатора с отводом от средней точки для двухполупериодного выпрямителя как показано на рисунке 3. В положительном полупериоде D1 включен, потому что напряжение в точке анода больше, чем в точке катода, и, наоборот, D2 выключен, поскольку напряжение на диоде отрицательное. Таким образом, ток протекает через D1 и затем проходит через сопротивление нагрузки.

Рис. 3. Конфигурация трансформатора с отводом от средней точки в положительном полупериоде

В отрицательном полупериоде D1 отключается, а D2 включается, как показано на рис. 4. В этом состоянии вторичное напряжение применяется к сопротивлению нагрузки, потому что D2 находится в прямом смещении. Стоит отметить, что идеальным считается диод, у которого падение напряжения на нем равно нулю. В обоих случаях направление тока, протекающего через сопротивление, одинаково, а напряжение не равно нулю в каждом цикле. Следовательно, при подаче синусоидального напряжения на первичную обмотку трансформатора выходное напряжение на сопротивлении нагрузки будет похоже на форму волны, представленную на рис. 5.9.0003

Рисунок 4. Конфигурация с трансформатором с отводом от средней точки в отрицательном полупериоде

можно записать как:

(1)

, где V _м — пиковое напряжение, t — время, f — частота, а T — период формы сигнала. В этой ситуации среднее напряжение можно рассчитать по формуле:

(2)

Следует отметить, что в неидеальном состоянии  заменяется на Vm-0,7 , поскольку падение напряжения на диоде составляет около 0,7 В. Более того, выходная частота двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя

, поскольку период формы сигнала равен T/2, где   — период входного сигнала. Следовательно:

(3)

Другим важным параметром является пиковое обратное напряжение диода (PIV), которое выражает допустимый уровень диода при обратном смещении. В положительный полупериод D ₁ проводит, а D ₂ выключен. Таким образом, напряжение на D ₂ будет в два раза больше входного напряжения. Это означает, что диод должен терпеть, когда он выключен. Выбор диода с таким допуском по напряжению может увеличить стоимость выпрямителя. Следовательно, можно записать:

(4)

PIV = 2Vm

, где  – пиковое значение входного напряжения. Такая же ситуация и в отрицательном полупериоде, так как D ₁ выключен, а D ₂ проводит. Основными недостатками конфигурации трансформатора с центральным отводом являются высокая PIV и сложность изготовления трансформатора. Другой конфигурацией двухполупериодного выпрямителя является мост, состоящий из четырех диодов, одного трансформатора, подключенного к источнику напряжения, и нагрузки, как показано на рисунке 6. не является обязательным в конфигурации моста, и мост можно подключить к источнику напряжения напрямую. Следовательно, размер схемы можно уменьшить, удалив трансформатор.

Рис. 6. Схема двухполупериодного мостового выпрямителя с четырьмя диодами

В каждом полупериоде два из четырех диодов включены, а остальные выключены. Во время положительного полупериода D ₂ и D ₄ включаются, а D ₁ и D ₃ выключаются для питания сопротивления нагрузки. Протекание тока в положительный полупериод показано на рисунке 7.

Рисунок 7: Двухполупериодный мостовой выпрямитель в положительный полупериод

В отрицательный полупериод включены D ₁ и D ₃ , и ток замыкает свой путь через эти два диода для питания нагрузки. Течение тока в отрицательном полупериоде показано на рисунке 8.

Рисунок 8: Двухполупериодный мостовой выпрямитель в отрицательном полупериоде

форма волны выходного напряжения будет такой же, как на рис. 5, а среднее значение равно 2 Вм/Пи. Однако в неидеальном состоянии диода среднее напряжение будет 2(Vm+2*0,7)/Pi , поскольку в каждом полупериоде имеется два диода, в которых падает напряжение. PIV для мостовой конфигурации равен входному напряжению и может быть записан как:

(5)

PIV = Vm

Это уравнение показывает, что напряжение диодов в мостовой конфигурации меньше, чем в конфигурации трансформатора с отводом от средней точки. Хотя двухполупериодный выпрямитель имеет лучшую выходную мощность, он имеет пульсации. Эту нежелательную пульсацию можно уменьшить, добавив в цепь фильтр. Фильтр представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузочному резистору. Сначала конденсатор полностью разряжен, а входное напряжение равно нулю. В положительном полупериоде напряжение постепенно достигает пикового входного напряжения. Пустой конденсатор действует как путь короткого замыкания и в этом состоянии заряжается. Напряжение заряженного конденсатора равно пиковому входному напряжению. При прохождении пикового напряжения входное напряжение становится меньше напряжения конденсатора (V _м ). Поэтому диод выключается, а конденсатор разряжается на резистивную нагрузку. Из-за разрядки конденсатора выходное напряжение уменьшается до следующего положительного полупериода. Этот процесс периодически повторяется, как показано на рис. 9. Выходное напряжение показано красной линией на этом рисунке, и его пульсации значительно малы.

Рисунок 9: Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с учетом емкостного фильтра0003

(6)

где f — входная частота, RL — сопротивление нагрузки, а C — емкость конденсатора. Кроме того, эта пульсация может быть рассчитана на основе тока нагрузки как:

(7)

Кроме того, постоянное напряжение после фильтрации может быть получено по формуле:

(8)

коэффициент пульсации, который представляет собой отношение среднеквадратичного напряжения к напряжению постоянного тока. Без емкостного фильтра коэффициент пульсаций двухполупериодного выпрямителя составляет 0,482. С точки зрения эффективности, КПД двухполупериодного выпрямителя составляет 81,2 процента, что показывает соотношение выходной мощности постоянного тока и входной мощности переменного тока.

Подводя итоги статьи, в таблице 1 представлены обсуждаемые параметры однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей.

Очевидно, что конфигурации двухполупериодного выпрямителя имеют лучшую производительность, чем однополупериодный выпрямитель, но требуется больше диодов, и размер выпрямителя увеличивается волновых выпрямителей заключается в том, что выходное напряжение в отрицательном полупериоде уже не равно нулю, а среднее напряжение будет выше.

Лабораторная работа 4: Двухполупериодные выпрямители — справочник Digilent

Эта лабораторная работа поможет учащимся построить двухполупериодный мостовой выпрямитель и изучить вольт-амперную характеристику диода. Студенты сначала смоделируют и построят выпрямитель, чтобы понять назначение выпрямителя. Затем учащиеся будут использовать LabVIEW для изучения отдельных компонентов выпрямителя, чтобы визуализировать и понять, как эти компоненты ограничивают его рабочий диапазон. Продвинутые учащиеся могут изучить способы преодоления предела порогового напряжения при использовании диодов в выпрямителе или узнать больше о методах программирования и удобстве использования.

Введение

Выпрямитель представляет собой диодную схему, которая преобразует форму волны переменного тока (AC) в форму волны с постоянной полярностью (также иногда называемую формой волны постоянного тока или постоянного тока), либо всегда отрицательной, либо всегда положительной, в зависимости от направления диодов. Существует две основные классификации выпрямителей: двухполупериодные и двухполупериодные. Однополупериодные выпрямители называются так потому, что они проходят только через одну полярность цепи, а противоположная полярность удаляется.

Двухполупериодные выпрямители воспроизводят всю форму волны, но с одной из инвертированных полярностей. Вы можете думать о двухполупериодном выпрямлении, как о пропускании сигнала переменного тока через функцию абсолютного значения. В этой лабораторной работе мы будем моделировать, строить и исследовать мостовой выпрямитель — тип двухполупериодного выпрямителя, построенного с использованием диодов.

Цели обучения

В этом разделе студенты будут:

• Моделирование мостового выпрямителя в Multisim.

• Соберите мостовой выпрямитель и изучите его реакцию на различные входные сигналы и нагрузки.

• Используйте LabVIEW для определения характеристик диодов и определения минимального входного напряжения для диода.

Список деталей

Для эксперимента необходимо следующее оборудование:

Программное обеспечение

• Мультисим Live

• Волновые формы

• Сообщество LabVIEW

• ВП Digilent WaveForms

Теория цепей и моделирование

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель состоит из четырех диодов, расположенных по схеме моста. Используя прямое смещение диодов, мы можем заставить ток течь в одном направлении через нагрузку. Это позволяет нам преобразовать сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока. Многие схемы требуют использования сигналов постоянного тока, а схема выпрямителя является важной частью схемы источника питания.

На изображении справа показана типичная конфигурация мостового выпрямителя. Вы можете видеть, что диоды D1-D4 расположены по схеме моста с их анодами слева и катодами справа, а нагрузка подключена через объединенные катоды и объединенные аноды.

Сравните выход мостового выпрямителя со входом, используя пробники на входе и выходе схемы мостового выпрямителя и моделируя схему в интерактивном режиме. Помните, что щупы автоматически соотносятся с землей. Чтобы получить сигнал на выходе, вам нужно будет разместить отдельный Опорное напряжение на отрицательной ножке выходной клеммы.

Прежде чем перейти к следующему разделу, сохраните осциллограмму следующих ситуаций:

• Захват формы сигнала $V_{in}$ при 2 В и $V_{out}$ с сопротивлением нагрузки 1 кОм

• Захват формы сигнала $V_{in}$ при 2 В и $V_{out}$ с сопротивлением нагрузки 100 кОм

• Захват формы сигнала $V_{in}$ при 0,5 В и $V_{out}$ с сопротивлением нагрузки 1 кОм

• Захват формы сигнала $V_{in}$ при 0,5 В и $V_{out}$ с сопротивлением нагрузки 100 кОм

Эти формы сигналов будут использоваться для сравнения наших смоделированных результатов с нашими физическими результатами позже в лаборатории.

Создание и измерение схемы

Теперь, когда мы смоделировали выпрямитель, мы перейдем к фактическому построению схемы, чтобы мы могли сравнить наши смоделированные результаты с реальной схемой. Выполните следующие шаги, чтобы построить схему и получить экспериментальные данные.

Постройте схему, представленную в Полноволновом мостовом выпрямителе, на макетной плате. Подсоедините канал W1 генератора функций (желтый провод) и канал осциллографа 1+ (оранжевый провод) к входу схемы, а канал 2+ осциллографа (синий провод) к положительному выходу схемы. Подключите 2-канальный прицел (сине-белый провод) к отрицательному выходу. Соедините с землей 1-й канал осциллографа (оранжево-белый провод) и массу функционального генератора.

Не забудьте повернуть переключатели Scope Channel 1 и Scope Channel 2 в сторону заголовков MTE.

Схему подключения можно скачать здесь: wired_diagram_fw.zip

При подключении проверяйте полярность диодов!

Следуйте приведенным ниже инструкциям, чтобы настроить инструменты в WaveForms и получить данные для этого эксперимента. Мы посмотрим, как форма выходного сигнала сравнивается с формой входного сигнала и как выпрямленный выходной сигнал реагирует на различные входные напряжения и сопротивления нагрузки.

Запустите WaveForms, сгенерируйте сигнал частотой 50 Гц с помощью прибора Wavegen и установите амплитуду 2 В. Используйте осциллограф Scope для просмотра отклика схемы во временной области. Установите временную базу области, чтобы визуализировать 2-3 периода сигналов.

Анализ с помощью LabVIEW

После выпрямления сигнала переменного тока в моделировании и в реальной схеме вы могли заметить меньшее пиковое напряжение в выходном сигнале, чем во входном. Анализируя схему, можно увидеть только одного возможного виновника разницы: диоды. Хотя мы обычно можем моделировать диоды как компоненты, которые действуют либо как обрыв, либо как короткое замыкание, на реальных диодах действительно падает небольшое количество напряжения. Когда диод работает в режиме прямого смещения, это напряжение обычно называют прямым «пороговым» напряжением ($V_{TH}$) диода. В идеале диод должен иметь $V_{TH}=0$, но обычные силиконовые диоды обычно имеют $V_{TH}=0,7 В$, в то время как германиевые диоды имеют $V_{TH}=0,3 В$, а диоды Шоттки имеют $V_{TH}=0,2 В$.

Но вы можете спросить, если $V_{TH}$ определяется как одна точка, почему затухание зависит от разных уровней входного напряжения? Это связано с тем, что $V_{TH}$ является лишь типичным значением, а не абсолютным значением. В реальных диодах ток через диод, падение напряжения на диоде и входное напряжение связаны нелинейной зависимостью.

В этом разделе мы постараемся графически смоделировать эту связь, используя два графика. Первый график покажет нам зависимость между током через диод и падением напряжения на диоде, а второй график покажет, как эти две величины изменяются по отношению к входному напряжению. Мы будем использовать LabVIEW, язык графического программирования, чтобы сначала автоматизировать построение этих графиков, а затем, во-вторых, проанализировать эти отношения. В этом разделе лабораторной работы предполагается наличие практических знаний среды LabVIEW и основных правил программирования. Чтобы получить помощь по началу работы с LabVIEW, включая установку ВП Digilent WaveForms, ознакомьтесь с ресурсами, доступными здесь: Начало работы с LabVIEW и устройством для тестирования и измерения.

Примечание . Перед тестированием или запуском кода LabVIEW убедитесь, что вы вышли из WaveForms. ВП Digilent WaveForms выдаст ошибку, если Digilent WaveForms все еще открыт, когда вы запускаете свой код.

Примечание : Если вы не знаете, что делает ВП, вы можете обратиться к контекстной справке, нажав Ctrl+H, а затем выделив соответствующий ВП.

Объективы

Разработайте в LabVIEW VI, отображающий ВАХ диода. Вы можете создать свой собственный ВП, следуя инструкциям ниже, или загрузить ВП, использованный в этом руководстве, отсюда: i-v_curve.zip

Кривая ВАХ позволяет нам исследовать взаимосвязь между напряжением и током через данный элемент схемы — в данном случае диод. Как видно на передней панели, ток (I) отложен по оси y, а напряжение (V) отложен по оси x.

Передняя панель — это место, где вы размещаете элементы пользовательского интерфейса в LabVIEW и как вы можете взаимодействовать с программой во время ее работы. На этой передней панели есть два основных компонента: элементы управления — это то, как вы можете предоставлять информацию программе, и индикаторы — это то, как программа возвращает данные пользователю.

Блок-схема — это место, где вы фактически будете программировать в LabVIEW. Любые элементы управления, которые у вас есть, будут отображаться на блок-диаграмме. Как показано, в этом VI у нас есть одна строка, два числовых и один логический элемент управления. Любые индикаторы, которые у вас есть, также будут отображаться на блок-диаграмме. Как показано, в этом VI у нас есть три графика, соответствующие графикам, которые мы хотим построить с помощью VI.

Доступ к палитре функций можно получить, щелкнув правой кнопкой мыши на блок-схеме. Палитра функций позволяет размещать на блок-диаграмме различные функции и ВП, из которых состоит ваш код. Для этого ВП мы в основном будем использовать ВП из Палитра Digilent WF VIs . Палитра ВП Digilent WF дает нам доступ к ВП, которые управляют различными приборами на устройствах Analog Discovery, и доступ к ней можно получить, перейдя к Палитре функций → Измерение ввода/вывода → ВП Digilent WF.

Общая эксплуатация

ВП может проходить через диапазон напряжений, измеряя напряжение и ток в каждой точке. Развертка должна начинаться с 0 В, заканчиваться на максимальном входном напряжении и увеличиваться на 0,1 В с каждым шагом. В каждом шаге осциллографы должны получать несколько выборок и вычислять среднее значение этих выборок, чтобы получить падение напряжения и ток через диод.

На каждом этапе расчетные значения должны быть добавлены в массивы, и эти массивы должны отображаться на лицевой панели, на одном из трех графиков. Первый график представляет собой кривую ВАХ диода. Второй график покажет зависимость тока через диод от входного напряжения. Третий показывает падение напряжения на диоде по отношению к входному напряжению. В то время как первый график позволяет нам непосредственно исследовать соотношение между напряжением и током диода, второй и третий графики позволяют нам исследовать, как ток и напряжение реагируют на различные входные напряжения. На изображении справа показан общий ход программы для этого ВП, а в разделе «Настройка программного обеспечения» каждый из этих шагов рассматривается более подробно.

Настройка оборудования

Хотя мы можем измерить напряжение на диоде напрямую, нам придется использовать чувствительный резистор ($R_{sense}$) и закон Ома для измерения тока через диод. Мы будем использовать ту же схему двухполупериодного выпрямителя, которую мы использовали ранее, однако мы изменим сопротивление нагрузки на 4,7 Ом и будем использовать прибор Supplies для вывода напряжения постоянного тока вместо сигнала переменного тока в качестве входного напряжения.

Постройте схему, представленную в Полноволновом мостовом выпрямителе, на макетной плате. Подключите положительный источник питания V+ (красный провод) к входу схемы, а канал 2+ осциллографа (синий провод) к положительному выходу схемы. Подключите 2-канальный прицел (сине-белый провод) к отрицательному выходу. Соедините вместе землю цепи и землю Analog Discovery Studio (черный провод). Подключить 1+ канал осциллографа (оранжевый провод) к аноду диода, а 1- канал (оранжево-белый провод) к катоду того же диода.

Не забудьте повернуть переключатели Scope Channel 1 и Scope Channel 2 в сторону разъемов MTE, а переключатель и V± в сторону надписи POWER.

Схему подключения можно скачать здесь: wire_diagram_iv_curve.zip

Настройка программного обеспечения

Настройка и конфигурация прибора

В качестве первого шага необходимо разместить элементы управления и индикатора, щелкнув правой кнопкой мыши на передней панели и выбрав нужный элемент. В этом VI нам нужно Combo Box , в котором задается тип устройства, с элементами «Analog Discovery Studio», «Analog Discovery 2» и «Analog Discovery», нам понадобится числовое управление для значения сопротивления нагрузки и ручка , для установить максимальное входное напряжение. Кнопка остановки также должна быть размещена на передней панели для прерывания программы в случае необходимости.

Для отображения результатов нам понадобится три XY Graphs . Расположите все на передней панели, затем щелкните правой кнопкой мыши по оси x графиков и снимите флажок «Автомасштабирование». Диапазон этих осей будет установлен в соответствии с максимальным входным напряжением. Переименуйте размещенные элементы, дважды щелкнув по их имени.

На блок-диаграмме щелкните правой кнопкой мыши график VD vs Vin и создайте узел свойств для свойства XScale.Maximum . Повторите этот шаг для графика ID и Vin . Измените оба узла свойств на запись, затем подключите к ним элемент управления максимального входного напряжения .

Инициализируйте прибор Scope (MSO), затем настройте оба аналоговых канала (mso/1 и mso/2) в режиме постоянного тока с затуханием пробника 1X, установите смещение по вертикали на 0 и диапазон по вертикали на двойное максимальное входное значение. Напряжение. Включите каналы с Истинная константа .

Настройте синхронизацию осциллографа Scope на режим выборки с частотой выборки 100 000 выборок/с, временем сбора данных 0,1 с и временем предварительного запуска, равным 0 с.

Инициализируйте прибор Supplies и настройте источник положительного напряжения (ps/+5V), чтобы иметь предел тока по умолчанию (0) и уровень выходного напряжения 0V. Включите питание.

Сбор данных

В цикле запустите Scope и прочитать его вывод. Первый элемент выходного массива — это данные канала 1, второй элемент — данные канала 2. Усредните выходные массивы, чтобы получить падение напряжения на диоде (канал 1) и падение напряжения на чувствительном резисторе (канал 2). Разделите напряжение чувствительного резистора на значение резистора, чтобы получить ток через диоды.

Вне цикла инициализируйте три пустых массива кластеров с кластерами, содержащими два числа. Сдвиньте эти массивы в цикл. Сдвиньте уровень напряжения источника питания с предыдущего шага (0 В) в петлю.

Внутри цикла свяжите вместе напряжение диода и ток диода, входное напряжение и ток диода, а также входное напряжение и напряжение диода, затем добавьте полученные кластеры к массивам, сдвинутым в контур. Соедините добавленные массивы с соответствующими XY-графиками, а затем переместите их из цикла.

Ступенчатое изменение входного напряжения и выход

На каждой итерации увеличивайте на 0,1 уровень напряжения, сдвинутый в петле на предыдущем шаге, затем реконфигурируйте положительный источник питания, устанавливая уровень напряжения на это значение.

Также сравните это значение с максимальным входным напряжением и, если оно превышено, выйдите из цикла. Пользователь также должен иметь возможность выйти из цикла, если он нажмет кнопку остановки, поэтому кнопка должна быть связана с условием выхода. В случае какой-либо ошибки программа будет завершена, поэтому подключите сигнал ошибки также к условию выхода.

Если цикл вышел, инструменты должны быть остановлены, а затем должны быть обработаны ошибки.

Дальнейшее исследование

В приведенных ниже темах рассматриваются два способа, которыми вы можете продолжить изучение после завершения этого лабораторного занятия. В первой теме больше рассматриваются ограничения на использование диодов в качестве выпрямителя, а во второй — некоторые идеи для удобного программирования.

Диоды и выпрямители

Глядя на ваши результаты, вы должны увидеть точку разрыва тока около 0,6–0,7 В. Это соответствует типичному значению $V_{TH}$ кремниевого диода. Однако мы также видели, что ток через диод в этой точке относительно мал; порядка десятков миллиампер. Чтобы увеличить ток, нам нужно будет увеличить напряжение. Хотя это работает для большинства схемных приложений, что происходит, когда нам нужно выпрямить сигнал с амплитудой менее 0,6 В?

Мы видели ранее, что с мостовым выпрямителем, когда входное напряжение уменьшилось, мы достигли точки, где наш выходной сигнал был фактически равен нулю. И глядя на диодные кривые, которые мы нашли с помощью LabVIEW, весьма вероятно, что, хотя форма сигнала напряжения была выпрямлена, ток фактически не протекал, когда входное напряжение падало ниже 0,6 В. Следовательно, чтобы исправить слабый сигнал, нам понадобится какой-то метод изоляции эффектов $V_{TH}$ от нашего выходного сигнала. Вот тут-то и появляется прецизионный выпрямитель на основе операционного усилителя. На изображении справа показана одна типичная конфигурация прецизионного выпрямителя.

Используйте то, что вы узнали в этой лабораторной работе, чтобы построить прецизионный выпрямитель и сравнить его с мостовым выпрямителем. Каковы некоторые из компромиссов с прецизионным выпрямителем? Помимо возможности выпрямлять слабые сигналы, есть ли какие-либо другие преимущества использования прецизионного выпрямителя?

Программирование LabVIEW и удобство для пользователя

Настройте ваш LabVIEW VI на развертку до 2,5 В, но теперь измените шаг приращения на 0,01 В. Обратите внимание, сколько времени требуется для завершения VI на этот раз. Что отображается на экране во время работы ВП? Есть ли признаки того, что он работает? Как бы вы определили, что программа просто занята обработкой ваших инструкций или действительно застряла в цикле? Одним из ключевых аспектов удобного для пользователя программирования является предоставление пользователю обратной связи о том, что программа работает или что-то делает. Например, индикаторы загрузки показывают прогресс, когда программа загружает большой файл, или используют вращающееся колесо, чтобы показать, что программа занята выполнением вашей последней команды.