Расчет выпрямителя

Расчет выпрямителя   Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (Uн) и потребляемый ею максимальный ток (Iн). Расчет ведут в таком порядке: 1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора: U2 = B Uн, где: U н — постоянное напряжение на нагрузке, В; В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1. Коэффициент Ток нагрузки,А 0,1 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 В 0,8 1,0 1,9 1,4 1,5 1,7 С 2,4 2,2 2,0 1,9 1,8 1,8 2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста: Iд = 0,5 С Iн, где: Iд — ток через диод, А; Iн — максимальный ток нагрузки, А; С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1). 3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя: Uобр = 1,5 Uн, где: Uобр — обратное напряжение, В; Uн — напряжение на нагрузке, В. 4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные. 5. Определяют емкость конденсатора фильтра: Сф = 3200 Iн / Uн Kп, где: С ф — емкость конденсатора фильтра, мкФ; Iн — максимальный ток нагрузки. A; Uн — напряжение на нагрузке, В; Kп — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).   Для различных нагрузок коэффициент пульсаций не должен превышать определенного значения, иначе в динамической головке или громкоговорителе будет прослушиваться фон переменного тока. Для питания портативных приемников и магнитофонов, например, допустим коэффициент пульсации выпрямленного напряжения в пределах 10 -3…10-2, усилителей ВЧ и ПЧ — 10-4…10-3, предварительных каскадов усилителей НЧ и микрофонных усилителей — 10-5…10-4. Если выходное напряжение выпрямителя будет дополнительно стабилизироваться транзисторным стабилизатором напряжения, то расчетная емкость конденсатора фильтра может быть уменьшена в 5…10 раз. Источник: shems.h2.ru

Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором

Приведено описание упрощенного расчета источника питания на основе сетевого трансформатора и мостового выпрямителя. Простой блок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя и подавляющего пульсации конденсатора.

Схема выпрямителя

Выпрямители бывают разные, но в таких блоках питания чаще всего используются мостовые выпрямители, как в блоке питания, схема которого показана на рисунке 1. Здесь рассматривается упрощенный расчет именно такого блока питания.

Рис. 1. Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя.

Трансформатор

Самой сложной деталью этой схемы является именно силовой трансформатор. Конечно сейчас можно приобрести готовый трансформатор практически под любые ваши «нужды», но это не всегда возможно.

И зачастую трансформатор приходится делать самостоятельно или, что бывает чаще, перематывать готовый, но неисправный (с горелыми обмотками) либо неподходящий трансформатор под необходимые для конкретного случая параметры.

И так, для изготовления силового трансформатора необходим сердечник с каркасом для обмоток и провод для намотки обмоток. Обычно сердечники встречаются двух типов — «Ш»-образные и тороидальные.

Проще всего наматывать «Ш»-образный, такой как показан на рисунке 2, особенно при большом числе витков, так как его обмотки наматываются на каркас как нитки на катушку, а потом сердечник собирается из отдельных «Ш»-образных пластин «в перекрышку». О нем и будем говорить. Для начала необходимо разобраться с требуемыми параметрами трансформатора.

А именно, — входное переменное напряжение (U), выходное переменное напряжение (Uo), мощность, которую нужно получить на выходе (Р).

Рис. 2. Ш-образный сердечник для трансформатора.

Если мы живем в РФ, то входное напряжение U = 220V. Выходное напряжение Uo — такое какое вам нужно. Мощность Р зависит от выходного напряжения и максимально необходимой величины выходного тока (Іо).

Мощность рассчитываем: Р = Uо * Іо (напряжение в V, ток в А, мощность в W).

Таким образом, нам нужны исходные данные, — Uo и Іо. И здесь придется оторваться от расчета трансформатора и начать расчет с выпрямителя, чтобы узнать какие должны быть эти значения. Точный расчет мостового выпрямителя довольно сложен, так как необходимо учитывать множество параметров.

Расчет параметров

Здесь приводится упрощенный расчет, пригодный для радиолюбительской практики.

Сначала определяемся с напряжением. Для вычисления необходимого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Uо (рис.3) нужно знать необходимое напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки (Uв). Uo = 0,75Uв.

Под нагрузкой выходное напряжение Uв будет снижаться. Практически выходное напряжение на выходе мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором лежит в пределах от Uo/0,75 при работе без нагрузки до Uo-2Uд при максимальной нагрузке (где Uд — прямое напряжение падения на одном диоде выпрямителя при максимальном токе нагрузки).

Для вычисления максимального тока через обмотку Іо нужно знать максимальный ток нагрузки /в. Іо = 1,41/в

Теперь мы знаем необходимые параметры трансформатора по напряжению и току вторичной обмотки. Этого достаточно для подбора или расчета и изготовления трансформатора. Далее переходим к определению необходимых размеров сердечника.

На рисунке 2 показан обычный «Ш»-образный сердечник. Мощность такого сердечника трансформатора зависит от площади поперечного сечения его центральной части (на которую надевается катушка). Площадь определяется:

S = L * Т,

при этом все берется в сантиметрах.

Необходимую площадь S для необходимой мощности можно рассчитать так:

Теперь можно выбрать сердечник, зная какой площади должен быть его средний керн. Найти именно такой как нужно сердечник сложно, поэтому следует руководствоваться принципом, что площадь сечения его среднего керна должна быть не меньше расчетной (конечно, в разумных пределах).

Подобрав сердечник переходим к расчету числа витков на 1V напряжения :

N = 50 / S,

где N — число витков на 1V, a S — площадь в см2 сечения среднего керна того конкретного сердечника, который будете использовать (а не который получился при расчете). На следующем этапе займемся расчетом уже самих обмоток. Число витков первичной (сетевой) обмотки, с учетом того, что в сети номинальное напряжение 220V, рассчитывается так:

N1 = N * 220.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

где D1 диаметр провода в мм, Р — рассчитанная ранее мощность в W, а 220 — это напряжение в электросети. Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра.

Число витков вторичной (выходной) обмотки рассчитывается так:

N2 = N * Uo.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра. Все. Можно наматывать трансформатор. Конечно, в идеале все обмотки должны быть намотаны плотно виток в витку.

Но для первичной обмотки, число витков которой может измеряться тысячами, это может быть слишком уж утомительно. Поэтому наматываем внавал, но осторожно, аккуратно, и плотно, как будто бы пытаемся намотать виток к витку, но не получается. Нельзя чтобы провода начала и конца первичной обмотки соприкасались или были слишком близко, — может пробить.

Сильно натягивать провод тоже нельзя, — разрушится тоненькая прозрачная изоляция, которой покрыт намоточный провод. По той же причине нельзя провод скребсти при намотке о края катушки или другие предметы, способные повредить изоляцию.

Сначала на каркас наматывают первичную обмотку. Затем её покрывают слоем изоляции, например, бумаги, но лучше — специальной фторопластовой лентой или стеклолакотканью. Потом на эту изоляцию наматывают вторичную обмотку.

Она содержит всего 106 витков и довольно толстого провода. Так что не ленитесь, — мотайте строго виток к витку. После окончания обмотки можно переходить к сборке сердечника.

Сердечники трансформатора обычно бывают в собранном виде с каркасом, так что предварительно их нужно разбирать, равно как и при перемотке неисправного или неподходящего трансформатора. Запомните как он разбирался и сборку делайте в обратном порядке.

Следует учесть, что все сказанное выше имеет отношение только к силовым трансформаторам, работающим на переменном токе частотой 50 Гц. И так, трансформатор есть, продолжаем рассчитывать выпрямитель. Следующий этап — выбор диодов.

Максимально допустимое обратное напряжение диода должно быть не ниже значения Uд = 1,5Uв.

По максимально допустимому прямому току диоды выбирают так, чтобы значение максимального прямого тока было больше величины Ід = 1,2/в. Теперь переходим к расчету емкости сглаживающего конденсатора С. Ниже приводится расчет при условии что частота переменного напряжения на входе выпрямителя равна 50 Гц.

Емкость сглаживающего конденсатора в мкФ С = (300*lв/q)/Uв. Где q — допустимый коэффициент пульсаций, выражающийся в отношении амплитуды пульсаций к величине выходного постоянного напряжения. Обычно для источников питания бытовой аппаратуры берется q = от 0,1 до 0,01.

Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора должно быть не ниже Uв, но его лучше взять с запасом, так не менее 1,5Uв.

Пример расчета

Теперь можно попробовать рассчитать реальный блок питания.

Исходные данные:

• U = 220V,
• Ue = 15V,
• Ів = 0,5А,
• q=0,01.

1. Находим необходимые параметры трансформатора:

Uo = 0,75Uв = 0,75*15=11,25V

lo= 1,41*Ів= 1.41 * 0,5 = 0,705А (напряжение вторичной обмотки равно 11,5V, а ток не ниже 0,705А)

2. Р = Uo * Іо = 11,5 * 0,705 = 8,1075W. Возьмем мощность с запасом — 9W

3.

4. N = 50/S = 50/3= 16,6667

5. N1 = N * 220 = 16,6667 * 220 = 3666,674 витков, округляем до 3667 витков.

5,

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,13 (0,13 мм).

6. N2 = N * Uo = 16,6667 * 11,5 = 191,667 округляем до 192 витков.

7.

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,54 (0,54 мм).

8. Находим параметры диодов:

Uд — 1,5Uв = 1,5*15 =22,5V

Ід= 1,2 * Iв = 1,2* 0,5 = 0,6А (максимальное обратное напряжение не ниже 22,5V, максимальный прямой ток не ниже 0,6А)

9. Находим параметры конденсатора: C=(300*lв/q)/Uв= (300*0,5/0,01)/15 = 1000 мкФ (не ниже 1000 мкФ)

10. Допустимое напряжение конденсатора не ниже 15V.

Иванов А. РК-09-17.

Какое напряжение после диодного моста

krupgena Скажите на милость , а если запромежутить их такой схемой . Сообщества › Электронные Поделки › Блог › Помогите с Зарядкой АКБ Всем привет, увидел в интернете схему зарядки акб на трансформаторе от старых телевизоров ТС-180 и вспомнил что такой у меня есть. Собрал по схеме, с трансформатора получаем 12.8-13 В, а на выходе с диодного моста 11.2-11.5.Подскажите пожалуйста что можно сделать, ведь данного напряжения не хватит для зарядки АКБ. Смотрите также Метки: зарядка Комментарии 168 Если есть желание, переделайте БП от компьютера, получится хорошее зарядное. Доработок минимум, в инете инфы полно. Советую.Удачи Так, хочу написать своё ИМХО, т.к. это элементарная тема, и её почему-то мало кто понимает.0.5=1,4142, т.е. 12,9*1,4142=18,2433 В, такое напряжение получится если подключить конденсатор, который заряжается до амплитудного значения. НО, это если конденсатор не разряжаю, т.е. без нагрузки. Когда подключаем нагрузку, то во-первых амплитудное значение понизится, т.к. будет просадка на всех элементах. во-вторых, не забываем, что чем выше напряжение на аккуме, тем ниже разность между напряжением заряда и напряжением аккума, и тем ниже ток. в-третьих, чем выше напряжение аккума, тем меньшая часть полусинусоиды будет использована для заряда аккума, и тем меньше во времени ток будет протекать через аккум. Конденсатор конечно будет повышать ток в первичной цепи, таким образом подтягивая напряжение, но этот эффект будет тем меньше, чем выше напряжение на аккумуляторе. Тут можно ещё много чего писать, кому надо могу на доске написать и сфотать, благо я ТОЭ не первый год преподаю, но это по желанию. А здесь, приведу простые примеры в мультисиме. Предлагаемая многими схема, с диодным мостом и конденсатором, с учетом внутренних сопротивлений аккумулятора и трансформатора, т.е. схема замещения. Схема savepic.su/6794265.jpg Смотрим амперметр справа, в цепи аккумулятора. Обратите внимание, конденсатор 10 000 мкф, сопротивление трансформатора 0,5 Ом — это ещё с запасом, реально оно больше в указанном автором, сопротивление аккума 0,1 Ом, примерно соответствует. В итоге ток всего 0,85 А. Если понизить напряжение аккумулятора, ток возрастет, но не сильно. Смотрите savepic.su/6785049.jpg savepic.su/6784025.jpg С одной стороны результат есть, но как видите ток ограничен не трансформатором, а именно схемным решением. Получится зарядник размером с табурет и током чуть больше 2 А, когда аккум разряжен, и меньше 1 А при более чем 50 заряда. Заряжать будете трое суток. Поэтому, я предложил вариант с умножителем, смотрите: savepic.su/6788121.jpg savepic.su/6777881.jpg savepic.su/6780953.jpg Как видите, можно получить ток заряда достаточно большой величины. И величина тока будет зависеть от номиналов конденсаторов. Чем больше ёмкость конденсаторов, тем выше ток. Смотрите: savepic.su/6780953.jpg savepic.su/6767641.jpg Хотя, конечно при использовании умножителя ток на трансформаторе будет значительно выше. Так же, хорошие варианты тут предложили, это домотать обмотку, чтобы повысить напряжение. Прошу только конструктивное обсуждение, и обоснованные аргументы. 220 В после выпрямления 300 В не хватает для работы схемы — тоже умножитель ставлю. Почитайте приключенческую историю, как я решил вспомнить институтские годы спустя 25 лет: www.drive2.ru/b/4899916394579136451/ Интересно, спасибо, почитаю)))) Так, хочу написать своё ИМХО, т.к. это элементарная тема, и её почему-то мало кто понимает. И так, на выходе у вас среднее значение 11.2-11.5 В, это с учетом падения напряжения на диодном мосту. До моста следовательно действующее значение 11,2(11,5) + 2*0,7=12,6 (12,9). Это именно действующее или эффективное значение значение напряжения. Его можно вычислить через интеграл от тока в квадрате по времени. Амплитудное значение получится путем умножения на 2^0.5=1,4142, т.е. 12,9*1,4142=18,2433 В, такое напряжение получится если подключить конденсатор, который заряжается до амплитудного значения. НО, это если конденсатор не разряжаю, т.е. без нагрузки. Когда подключаем нагрузку, то во-первых амплитудное значение понизится, т.к. будет просадка на всех элементах. во-вторых, не забываем, что чем выше напряжение на аккуме, тем ниже разность между напряжением заряда и напряжением аккума, и тем ниже ток. в-третьих, чем выше напряжение аккума, тем меньшая часть полусинусоиды будет использована для заряда аккума, и тем меньше во времени ток будет протекать через аккум. Конденсатор конечно будет повышать ток в первичной цепи, таким образом подтягивая напряжение, но этот эффект будет тем меньше, чем выше напряжение на аккумуляторе. Тут можно ещё много чего писать, кому надо могу на доске написать и сфотать, благо я ТОЭ не первый год преподаю, но это по желанию. А здесь, приведу простые примеры в мультисиме. Предлагаемая многими схема, с диодным мостом и конденсатором, с учетом внутренних сопротивлений аккумулятора и трансформатора, т.е. схема замещения. Схема savepic.su/6794265.jpg Смотрим амперметр справа, в цепи аккумулятора. Обратите внимание, конденсатор 10 000 мкф, сопротивление трансформатора 0,5 Ом — это ещё с запасом, реально оно больше в указанном автором, сопротивление аккума 0,1 Ом, примерно соответствует. В итоге ток всего 0,85 А. Если понизить напряжение аккумулятора, ток возрастет, но не сильно. Смотрите savepic.su/6785049.jpg savepic.su/6784025.jpg С одной стороны результат есть, но как видите ток ограничен не трансформатором, а именно схемным решением. Получится зарядник размером с табурет и током чуть больше 2 А, когда аккум разряжен, и меньше 1 А при более чем 50 заряда. Заряжать будете трое суток. Поэтому, я предложил вариант с умножителем, смотрите: savepic.su/6788121.jpg savepic.su/6777881.jpg savepic.su/6780953.jpg Как видите, можно получить ток заряда достаточно большой величины. И величина тока будет зависеть от номиналов конденсаторов. Чем больше ёмкость конденсаторов, тем выше ток.0.5, просто ток заряда будет очень низким. Акб все-таки не конденсатор, конденсатор обладает обладает практически нулевым внутренним сопротивлением и другой зависимостью напряжения заряда/разряда от времени. Но так — да, повышаться будет! Что получается после выпрямления Предисловие Очень много вопросов задают по статье как получить из переменного напряжения постоянное. Напомню, что мы получали постоянное напряжение с помощью типичной схемы, которая используется во всей электронике: Да, та статья получилась чуток сыровата, но суть преобразования переменного тока в постоянный мы постарались объяснить на пальцах. Но читатели все равно “не вкурили” ту статью, поэтому было решено написать еще одну статейку, но на этот раз разжевать все досконально. Снова да ладом… Придется возвращаться к истокам. Вместо трансформатора я возьму ЛАТР, который будет выдавать переменный ток: Выставляем на ЛАТРе с помощью цифрового осциллографа напряжение амплитудой в 10 Вольт: Как мы можем увидеть в нижнем левом углу, частота нашего сигнала 50 Герц. Это и есть частота сети. Длина одного кубика по вертикали равна 2 Вольтам. Далее берем 4 кремниевых диода И спаиваем из них диодный мост вот по такой схеме: Подаем напряжение с ЛАТРа на диодный мост, а с других концов цепляем щуп осциллографа Тыкаем щупом осциллографа в эти красные кружочки на схеме. Землю на один кружочек, а сигнальный на другой. Смотрим, что получилось на дисплее осциллографа Дело в том, что сопротивление щупа осциллографа обладает очень высоким входным сопротивлением, или иначе простыми словами: мы подцепили очень-очень высокоомный резистор к выходу диодного моста. Поэтому диодный мост в холостом режиме, то есть в режиме без нагрузки, не функционирует. Для того, чтобы проверить диодный мост на работоспособность, нам надо его нагрузить. Это может быть резистор в несколько десятков или сотен Ом, лампочка, либо какая-нибудь электронная безделушка. В моем случае я взял лампочку накаливания на 12 Вольт от поворотника мотоцикла: Цепляем ее к диодному мосту Тыкаем щуп осциллографа в эти точки и смотрим осциллограмму Как мы видим, напряжение с ЛАТРа чуть просело. Все зависит, конечно, от подключаемой нагрузки и мощности самого ЛАТРа. Про это я писал еще в статье работа трансформатора Теперь тыкаем щупом в эти точки Классика жанра! Превращаем отрицательную полуволну в положительную и получаем “горки” с частотой в 100 Герц ;-). Но ваш внимательный глаз ничего не заметил? Если даже мы и выпрямили напряжение с помощью диодного моста, то почему амплитуда каждой полуволны стала еще чуть меньше? Дело все в том, что на PN-переходе диода в прямом смещении падает напряжение в 0,6-0,7 Вольт. Именно поэтому оно и вычитается с амплитуды напряжения, которое надо выпрямить. Давайте теперь к диодному мосту запаяем конденсатор емкостью в 5000 мкФ и не будем цеплять никакую нагрузку Тыкаем щупом сюда Получили вот такую осциллограмму постоянного тока. Она в 1,41 раз больше, чем действующее (среднеквадратичное) значение сигнала с ЛАТРа (о действующем напряжении чуть ниже) А теперь цепляем лампочку Осциллограмма кардинально изменилась. Как мы видим, напряжение просело и у нас получилась осциллограмма постоянного напряжения с небольшими пульсациями. Вот эти маленькие “холмики” и есть пульсации, в отличите от “гор” сразу после диодного моста с лампочкой-нагрузкой. Физический смысл здесь такой: конденсатор не успевает разряжаться на нагрузке, как снова приходит новая “горка” и снова заряжает конденсатор. Правило диодного выпрямителя с конденсатором очень простое: чем больше емкость конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше по амплитуде будут пульсации, и наоборот. Но почему у нас просело напряжение? Ведь было уже 10 Вольт постоянного напряжения на конденсаторе без нагрузки? А как цепанули лампочку стало намного меньше… В чем же проблема? А проблема именно в законе сохранения энергии… Среднеквадратичное значения напряжения Допустим, у нас есть лампочка накаливания. Я ее подцепил к источнику постоянного тока и она у меня загорелась с какой-то яркостью. Потом я цепляю эту лампу к источнику переменного тока и добиваюсь такого же свечения лампы. Форма сигнала постоянного и переменного напряжения разные, а мощность, выдаваемая в нагрузку, в данном случае лампочку, одинаковая. Можно сказать, что среднеквадратичное значение переменного тока равняется значению постоянного тока. То есть если у нас лампочка на 12 Вольт, я могу подать на нее 12 Вольт с блока питания или 12 Вольт с ЛАТРа. Лампочка будет светить с такой же яркостью. Мультиметр в режиме измерения переменного тока показывает именно среднеквадратичное значение напряжения. Итак, чему же равняется среднеквадратичное значение вот этого сигнала? А давайте замеряем. Для этого я беру мой любимый прибор токоизмерительные клещи, в который встроен целый мультиметр с True RMS и начинаю замерять среднеквадратичное значение Мультиметр показал 7,18 Вольт. Это и есть среднеквадратичное значение этого сигнала. Для синусоидальных сигналов оно легко вычисляется по формуле: Umax – максимальная амплитуда, В UД – действующее (среднеквадратичное) значение напряжения, В Если считать по формуле, то получим 10/√2=7,07 Вольт. Сходится с небольшой погрешностью. Как мы подцепили нагрузку, у нас сразу просела амплитуда напряжения с ЛАТРа, а следовательно, и среднеквадратичное значение напряжения 6, 68 Вольт. Хотя по формуле получается 9/1,41=6,38. Спишем на погрешности измерения. Среднеквадратичное значение сложных сигналов Но чему же равняется среднеквадратичное значение напряжения после диодного моста с включенной нагрузкой-лампочкой? Для определения среднеквадратичного значения такого сигнала: нам понадобится формула и табличка. где Ka – это коэффициент амплитуды Umax – максимальная амплитуда сигнала U – действующее (среднеквадратичное) значение сигнала А вот и табличка: Теперь ищем по табличке наш пульсирующий сигнал с выпрямителя. Как мы видим, его коэффициент амплитуды равен 1,41 или, если быть точнее, √2. То есть точно такой же, как и у синусоидального сигнала. Вычисляем по формуле и получаем: После того, как мы поставили конденсатор, у нас почти получилась осциллограмма постоянного тока с значением в примерно в 6 Вольт, если полностью усреднить нашу кривую, то есть пренебречь небольшими пульсациями. Можно даже сказать, что это значение постоянного тока будет равняться среднеквадратичному значению переменного тока номиналом в 6 Вольт. Не забываем, что 0,6-0,7 Вольт у нас падают на диодах. Заключение Итак, какие выводы делаем из всего вышесказанного и показанного? Среднеквадратичное значение напряжения на выходе диодного выпрямителя чуточку меньше, чем до диодного моста. По 0,6-0,7 Вольт падает на диодах. Если бы мы поставили диоды Шоттки, то выиграли бы 0,3-0,4 Вольта, так как падения на Шоттках 0,2-0,3 Вольта. Схема двухполупериодного выпрямителя, с энергетической точки зрения является очень неплохой и поэтому используется в большинстве радиоэлектронных устройств. Что такое диодный мост и как он работает? Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы. Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента. Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы. Устройство и принцип работы Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника. Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке. Рис. 1. Принцип работы диодного моста Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды. Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы: На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В. Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали. Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат. Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области. В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца. Обозначение на схеме и маркировка На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения: Рис. 2. Обозначение на схеме Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер. Второй вариант наиболее распространен для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4. Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем. Разновидности диодных мостов В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше. Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы. Рис. 3. Схема трехфазного диодного моста Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга. Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина: Рис. 4. Напряжение выпрямленное трехфазным мостом Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду. Технические характеристики При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах. Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются: Амплитудное максимальное напряжение обратной полярности – это пороговое значение более которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет со строя. Обозначается как UАобр в отечественных моделях или V­rpm для зарубежных. Среднее обратное напряжение – представляет собой номинальное значение электрической величины, которое может прикладываться в процессе эксплуатации. Имеет обозначение Uобр в отечественных образцах или V­r(rms) для зарубежных диодных мостов. Средний выпрямленный ток – обозначает действующую величину электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах указывается как Iпр или Io для моделей отечественного или зарубежного производства соответственно. Амплитудный выпрямленный ток – это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, обозначается как Ifsm для пульсирующего тока на положительном и отрицательном выводе. Падение напряжения в прямой полярности – определяет потерю напряжения от собственного сопротивления диодного моста. На устройстве обозначается как V­fm. Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть. Преимущества и недостатки Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ: И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени. За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров. Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора. Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным. К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже. Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью. Практическое применение На практике диодный мост имеет довольно широкий спектр применения – это и цифровая техника, блоки питания в персональных компьютерах, ноутбуках, различных устройствах, автомобильных генераторах, питающихся от низкого постоянного напряжения. Помимо этого их можно встретить в системах звуковоспроизведения, измерительной техники, теле- радиовещания, они устанавливаются в ряде различных устройств по всему дому. Для лучшего понимания роли диодного моста в этих приборах мы рассмотрим несколько конкретных схем, в которых он применяется. Примеры схем с диодным мостом и их описание Одна из наиболее простых схем с применением диодного моста – это зарядное устройство, применяемое для оборудования, питаемого низким напряжением. Один из таких вариантов рассмотрим на следующем примере Рис. 5. Схема зарядного устройства Как видите на рисунке, от понижающего трансформатора Т1 напряжение из переменного 220В преобразуется в переменное на уровне 7 – 9В. После этого пониженное напряжение подается на диодный мост VD, от которого выпрямленное через сглаживающий конденсатор С1 на микросхему КР. От микросхемы выпрямленное напряжение стабилизируется и выдается на клеммы разъема. Рис. 6. Схема карманного фонаря На рисунке выше приведен пример схемы карманного фонаря, данная модель подключается к бытовой сети 220В через розетку, что представлено соединением разъема Х1 и Х2. Далее напряжение подается на мост VD, а с него уже на микросхему DA1, которая при наличии входного питания сигнализирует об этом через светодиод HL1. После этого напряжение питания приходит на аккумулятор GB, который заряжается и затем используется в качестве основного источника питания для лампы фонарика. Пример схемы сварочного агрегата Здесь представлен пример схемы сварочного агрегата, в котором диодный мост устанавливается сразу после понижающего трансформатора для выпрямления электрического тока. Из-за сложности схемы дальнейшее рассмотрение работы устройства нецелесообразно. Стоит отметить, что существуют и другие устройства с еще более сложным принципом работы – импульсные блоки питания, ШИМ модуляторы, преобразователи и т.д. Выпрямитель, схема диодного моста Почти вся электронная аппаратура для своей работы требует определённую величину постоянного напряжения. В электрический сети передаётся синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц. Для преобразования сигнала используется свойство полупроводниковых элементов пропускать ток только в одном направлении, а в другом блокировать его прохождение. В качестве преобразователя применяется схема диодного моста, позволяющая получать на выходе сигнал постоянной величины. Физические свойства p-n перехода Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n). Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются. Примешанные атомы начинают образовывать, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный. Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов. В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа. Принцип работы диода Диод — это полупроводниковый прибор, имеющий малое сопротивление для тока в одном направлении, и препятствующий его прохождению в обратном. Физически диод состоит из одного p-n перехода. Конструктивно представляет собой элемент, содержащий два вывода. Вывод, подключённый к p-области, называется анодом, а соединённый с n-областью — катодом. При работе диода существует три его состояния: сигнал на выводах отсутствует; он находится под действием прямого потенциала; он находится под действием обратного потенциала. Прямым потенциалом называется такой сигнал, когда плюсовой полюс источника питания подключён к области p-типа полупроводника, другими словами, полярность внешнего напряжения совпадает с полярностью основных носителей. При обратном потенциале отрицательный полюс подключён к p-области, а положительный к n. В области соединения материала n- и p-типа существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов и находится в уравновешенном состоянии. Высота барьера не превышает десятые доли вольта и препятствует продвижению носителей заряда вглубь материала. Если к прибору подключено прямое напряжение, то величина потенциального барьера уменьшается и он практически не оказывает сопротивление протеканию тока. Его величина возрастает и зависит только сопротивления p- и n- области. При прикладывании обратного потенциала, величина барьера увеличивается, так как из n-области уходят электроны, а из p-области дырки. Слои обедняются и сопротивление барьера прохождению тока возрастает. Основным показателем элемента является вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость между приложенным к нему потенциалом и током, протекающим через него. Представляется эта характеристика в виде графика, на котором указывается прямой и обратный ток. Схема простого выпрямителя Синусоидальное напряжение представляет собой периодический сигнал, изменяющийся во времени. С математической точки зрения он описывается функцией, в которой начало координат соответствует времени равным нулю. Сигнал состоит из двух полуволн. Находящаяся полуволна в верхней части координат относительно нуля называется положительным полупериодом, а в нижней части — отрицательным. При подаче переменного напряжения на диод через подключённую к его выводам нагрузку, начинает протекать ток. Этот ток обусловлен тем, что в момент поступления положительного полупериода входного сигнала диод открывается. В этом случае к аноду прикладывается положительный потенциал, а к катоду отрицательный. При смене волны на отрицательный полупериод диод запирается, так как меняется полярность сигнала на его выводах. Таким образом, получается, что диод как бы отрезает отрицательную полуволну, не пропуская её на нагрузку и на ней появляется пульсирующий ток только одной полярности. В зависимости от частоты приложенного напряжения, а для промышленных сетей она составляет 50 Гц, изменяется и расстояние между импульсами. Такого вида ток называется выпрямленным, а сам процесс —однополупериодным выпрямлением. Выпрямляя сигнал, используя один диод, можно питать нагрузку, не предъявляющую особых требований к качеству напряжения. Например, нить накала. Но если запитать, например, приёмник, то появится низкочастотный гул, источником которого и будет промежуток, возникающий между импульсами. В некоторой мере для избавления от недостатков однополупериодного выпрямления совместно с диодом применяется параллельно включённый нагрузке конденсатор. Этот конденсатор будет заряжаться при поступлении импульсов и разряжаться при их отсутствии на нагрузку. А значит, чем больше значение ёмкости конденсатора, тем ток на нагрузке будет более сглажен. Но наибольшего качества сигнала возможно достичь, если использовать для выпрямления одновременно две полуволны. Устройство, позволяющее это реализовать, получило название диодный мост, или по-другому — выпрямительный. Диодный мост Такое устройство представляет собой электрический прибор, служащий для преобразования переменного тока в постоянный. Словосочетание «диодный мост» образуется из слова «диод», что предполагает использование в нём диодов. Схема диодного моста выпрямителя зависит от сети переменного тока, к которой он подключается. Сеть может быть: В зависимости от этого и выпрямительный мост называется мостом Гретца или выпрямителем Ларионова. В первом случае используется четыре диода, а во втором прибор собирается уже на шести. Первая схема выпрямительного прибора собиралась на радиолампах и считалась сложным и дорогим решением. Но с развитием полупроводниковой техники диодный мост полностью вытеснил альтернативные способы выпрямления сигнала. Вместо диодов редко, но ещё применяются селеновые столбы. Конструкции и характеристики прибора Конструктивно выпрямительный мост выполняется из набора отдельных диодов или литого корпуса, имеющего четыре вывода. Корпус может быть плоского или цилиндрического вида. По принятому стандарту, значками на корпусе прибора отмечаются выводы подключения переменного напряжения и выходного постоянного сигнала. Выпрямители, имеющие корпус с отверстием, предназначены для крепления на радиатор. Основными характеристиками выпрямительного моста являются: Наибольшее прямое напряжение. Это максимальная величина, при которой параметры прибора не выходят за границы допустимых. Наибольшее допустимое обратное напряжение. Это максимальное импульсное напряжение, при котором мост длительно и надёжно работает. Наибольший рабочий ток выпрямления. Обозначает средний ток, протекающий через мост. Максимальная частота. Частота подаваемого на мост напряжения, при которой прибор работает эффективно и не превышает допустимый нагрев. Превышение значений характеристик выпрямителя приводит к резкому сокращению срока его службы или пробою p-n переходов. Необходимо отметить такой момент, что все параметры диодов указываются для температуры окружающей среды 20 градусов. К недостаткам применения мостовой схемы выпрямления относят большее падение напряжения, по сравнению с однополупериодной схемой, и более низкое значение коэффициента полезного действия. Для уменьшения величины потерь и снижения нагрева мосты часто изготавливают с применением быстрых диодов Шотки. Схема подключения устройства На электрических схемах и печатных платах диодный выпрямитель обозначается в виде значка диода или латинскими буквами. Если выпрямитель собран из отдельных диодов, то рядом с каждым ставится обозначение VD и цифра, обозначающая порядковый номер диода в схеме. Редко используются надписи VDS или BD. Диодный выпрямитель может подключаться напрямую к сети 220 вольт или после понижающего трансформатора, но схема включения его остаётся неизменной. При поступлении сигнала в каждом из полупериодов ток сможет протекать только через свою пару диодов, а противоположная пара будет для него заперта. Для положительного полупериода открытыми будут VD2 и VD3, а для отрицательного VD1 и VD4. В итоге на выходе получится постоянный сигнал, но его частота пульсации будет увеличена в два раза. Для того чтобы уменьшить пульсацию выходного сигнала, используется, как и в случае с одним диодом, параллельное включение конденсатора С1. Такой конденсатор ещё называют сглаживающим. Но случается так, что диодный мост ставится не только в переменную сеть, но и подключается в уже выпрямленную. Для чего нужен диодный мост в такой цепи, станет понятно, если обратить внимание в каких схемах используется такое его включение. Эти схемы связаны с использованием чувствительных радиоэлементов к переполюсовке питания. Использование моста позволяет осуществить простую, но эффективную защиту «от дурака». В случае ошибочного подключения полярности питания радиоэлементы, установленные за мостом, не выйдут из строя. Проверка на работоспособность Такой тип электронного прибора можно проверить, не выпаивая из схемы, так как в конструкциях устройств никакое его шунтирование не используется. В случае выпрямителя, собранного из диодов, проверяется каждый диод в отдельности. А в случае с монолитным корпусом измерения проводятся на всех четырёх его выводах. Суть проверки сводится к прозвонке мультиметром диодов на короткое замыкание. Для этого выполняются следующие действия: Мультиметр переключается в режим позвонки диодов или сопротивления. Штекер одного провода (чёрного) вставляется в общее гнездо тестера, а второго (красного) в гнездо проверки сопротивления. Щупом, подключённым чёрным проводом, дотроньтесь до первой ножки, а щупом красного провода до третьего вывода. Тестер должен показать бесконечность, а если поменять полярность проводов, то мультиметр покажет сопротивление перехода. Минус тестера подается на четвёртую ногу, а плюс на третью. Мультиметр покажет сопротивление, при смене полярности бесконечность. Минус на первую ногу, плюс на вторую. Тестер покажет открытый переход, при смене – закрытый. Такие показания тестера говорят об исправности выпрямителя. В случае отсутствия мультиметра можно воспользоваться обычным вольтметром. Но при этом придётся подать питание на схему и замерить напряжение на сглаживающем конденсаторе. Его величина должна превышать входное в 1,4 раза. Какое напряжение после диодного моста Источники питания электронной аппаратуры, импульсные и линейные регуляторы. Топологии AC-DC, DC-DC преобразователей (Forward, Flyback, Buck, Boost, Push-Pull, SEPIC, Cuk, Full-Bridge, Half-Bridge). Драйвера ключевых элементов, динамика, алгоритмы управления, защита. Синхронное выпрямление, коррекция коэффициента мощности (PFC) 38 минут назад Тему:мощный DC-DC с гальванической развязкой От:Baza Обратная Связь, Стабилизация, Регулирование, Компенсация Организация обратных связей в цепях регулирования, выбор топологии, обеспечение стабильности, схемотехника, расчёт 13 декабря, 2019 Тему:LDO MIC29302A управление от STM32(pwm) От:spirit_1 Первичные и Вторичные Химические Источники Питания Li-ion, Li-pol, литиевые, Ni-MH, Ni-Cd, свинцово-кислотные аккумуляторы. Солевые, щелочные (алкалиновые), литиевые первичные элементы. Применение, зарядные устройства, методы и алгоритмы заряда, условия эксплуатации. Системы бесперебойного и резервного питания 6 часов назад Тему:Поведение полуубитых свинцовых аккумуляторов От:king2 Высоковольтные Устройства — High-Voltage Высоковольтные выпрямители, умножители напряжения, делители напряжения, высоковольтная развязка, изоляция, электрическая прочность. Высоковольтная наносекундная импульсная техника 3 января Тему:Как создать слабую непрерывную искру? От:Aner Электрические машины, Электропривод и Управление Электропривод постоянного тока, асинхронный электропривод, шаговый электропривод, сервопривод. Синхронные, асинхронные, вентильные электродвигатели, генераторы 4 часа назад Тему:Помогите подобрать качественный драйвер ШД От:Андрей Лихачев Индукционный Нагрев — Induction Heating Технологии, теория и практика индукционного нагрева 18 декабря, 2019 Тему:допустимый % пульсации тока и напряжения в устан… От:wla Системы Охлаждения, Тепловой Расчет – Cooling Systems Охлаждение компонентов, систем, корпусов, расчёт параметров охладителей 25 ноября, 2019 Тему:Посоветуйте крепление MCH нагревателя на плату, … От:p_v Моделирование и Анализ Силовых Устройств – Power Supply Simulation Моделирование силовых устройств в популярных САПР, самостоятельных симуляторах и специализированных программах. Анализ устойчивости источников питания, непрерывные модели устройств, модели компонентов пятница в 18:41 Тему:LTspice моделирование импульсного трансформатора От:eleks Компоненты Силовой Электроники — Parts for Power Supply Design Силовые полупроводниковые приборы (MOSFET, BJT, IGBT, SCR, GTO, диоды). Силовые трансформаторы, дроссели, фильтры (проектирование, экранирование, изготовление), конденсаторы, разъемы, электромеханические изделия, датчики, микросхемы для ИП. Электротехнические и изоляционные материалы. 3 ноября, 2019 Тему:ДЛ160 правила монтажа и подготовки контактов От:k155la3 Интерфейсы Последнее сообщение Форумы по интерфейсам все интерфейсы здесь 4 часа назад Тему:Переходник-конвертер USB-PCI-E От:_pv Поставщики компонентов для электроники Последнее сообщение Поставщики всего остального от транзисторов до проводов вторник в 11:05 Тему:Помогите определить тип разъема От:Владимир Крикунов Компоненты Закачка тех. документации, обмен опытом, прочие вопросы. 15 часов назад Тему:Посоветуйте, плиз, недорогой ( —> Обсуждение Майнеров, их поставки и производства наблюдается очень большой спрос на данные устройства. 29 ноября, 2019 Тему:Что вы думаете про разработку различных собствен… От:DASM Дополнительные разделы — Additional sections Последнее сообщение Встречи и поздравления Предложения встретиться, поздравления участников форума и обсуждение мест и поводов для встреч. 1 января Тему:С наступающим Новым 2020 Годом. От:Stanislav Ищу работу ищу работу, выполню заказ, нужны клиенты — все это сюда вторник в 20:32 Тему:Могу помочь с любыми чертежами, 3D, печатные пла… От:Openair Предлагаю работу нужен постоянный работник, разовое предложение, совместные проекты, кто возьмется за работу, нужно сделать. 1 час назад Тему:Разработка устройств Lorawan на чипах Semtech От:x893 Kуплю микросхему; устройство; то, что предложишь ты 🙂 22 декабря, 2019 Тему:Куплю телеграфный аппарат РТА-80. От:savoj Продам есть что продать за деньги, пиво, даром ? Реклама товаров и сайтов также здесь. 7 часов назад Тему:Настольная конвекционная печь LPKF ProtoFlow E От:Константин_спб Объявления пользователей Тренинги, семинары, анонсы и прочие события 27 декабря, 2019 Тему:Вебинар «Применение микроконтроллеров STM32 и MS… От:КОМПЭЛ Общение заказчиков и потребителей электронных разработок Обсуждение проектов, исполнителей и конкурсов Оценка статьи: Загрузка…Какое напряжение после диодного моста Ссылка на основную публикацию wpDiscuzAdblock detector

Пример расчета выпрямителя напряжения.

Требуется рассчитать выпрямитель для зарядного устройства по следующим данным: номинальное выпрямленное напряжение U₀ = 15 В; номинальный выпрямленный ток I₀ = 7 А; допустимый коэффициент пульсаций K_П% = 1,5; напряжение питающей сети U_С = 220 В; частота сети f = 50 Гц. В качестве исходной схемы возьмем мостовую схему, рис. 6.7, выполненную с использованием германиевых диодов..

1. Структурная схема вторичного источника питания приведена на рис. Рядом с ней приведено название и назначение всех составных частей схемы.

2. Выбираем схему выпрямителя согласно номера варианта, приводим ее в отчет и поясняем назначение всех элементов схемы.

Схема выпрямителя напряжения приведена на рис.6.7 . В ней

Тр — трансформатор напряжения, служит для преобразования амплитуды переменного напряжения до необходимой величины;;

диоды VD1-VD4 образуют схему мостового выпрямителя ;

конденсатор С₀ служит сглаживающим фильтром, уменьшая пульсации напряжения на нагрузке;

резистор Rн я является нагрузкой выпрямителя.

3. Выполнить расчет трансформатора (т.е. определить его мощность по вторичной обмотке, коэффициент трансформации, определить его типовую мощность).

3.1. Рассчитаем внутреннее сопротивление диода

где U_пр – прямое падение напряжения на вентиле (0,4 – 0,5 В для германиевых диодов и 1,0 – 1,1 В для кремниевых диодов), k_В – коэффициент, учитывающий динамические свойства характеристики диода (2,0 – 2,2 для германиевых диодов и 2,2 – 2,4 для кремниевых диодов), I_ОВ – среднее значение тока вентиля выбирается по табл. 6.3 для соответствующей схемы выпрямления.

3.2. Рассчитаем активное сопротивление обмоток трансформатора.

где k_r – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, определяется по таблице 7; B – магнитная индукция в сердечнике, Т. Величину магнитной индукции В для трансформаторов мощностью до 1000 Вт можно предварительно принимать равной 1,2 – 1,6 Т для сети с частотой тока 50 Гц и 1,0 – 1,3 Т для сети с частотой тока 400 Гц; f – частота переменного тока питающей сети; s – число стержней сердечника трансформатора (s = 1 для броневой, s = 2 для стержневой и s = 3 для трехфазной конфигурации магнитопровода).

3.3.Активное сопротивление фазы выпрямителя

R = R_B + R_ТР = 0,31 + 0,104 = 0,414 Ом.

Определим основной расчетный коэффициент выпрямителя А:

Определим вспомогательные коэффициенты В и D по графикам на рис. 6.11.

Получаем :В = 1,1; D = 2,1.

Определим параметры трансформатора (таблица 6.3)

Действующее напряжение вторичной обмотки

U₂ = B·U₀ = 1,1·15 = 16,5 В.

Действующий ток вторичной обмотки

I₂ = 0,707 DI₀ = 0,707·2,1·7 = 10,39 A.

Коэффициент трансформации k_m = U₁/U₂ . k_m = U₁/U₂=220/16,5=

Рассчитаем действующий ток первичной обмотки

I₁ = 0,707 DI₀/k_m,

I₁ = 0,707·2,1·7·16,5/220 = 0,779 A.

Рассчитаем типовая мощность трансформатора

P_ТИП = 0,707 BDU₀I₀ = 0,707·1,1·2,1·15·7 = 171,48 Вт

Рис. 6.11 — Зависимость параметров В и D от параметра А

Определим вспомогательный коэффициент F по графику на рис. 6.12.

Получим F = 5,5.

Рис. 6.12 — Зависимость параметра F от параметра А

Определим вспомогательный коэффициент H по графику на рис. 6.13.

Получим H = 490.

Рис. 6.13 — Зависимость параметра Н от параметра А при частотах тока сети 50 и 400 гц

4. Выполнить расчет выпрямителя (исходя из выбранного типа выпрямителя и формул для выпрямителей такого типа, заданного типа диодов — определить количество диодов в схеме, выполнить проверку по току и по напряжению).

Определим токи и напряжения на диоде (табл. 6.3)

Обратное напряжение на диоде:

U_обр = 1,41·BU₀ = 1,41·1,1·15 = 23,26 B.

Среднее значение тока диода

I_0В = 0,5I₀ = 0,5·7 = 3,5 A.

Действующее значение тока диода

I_В = 0,5DI₀ = 0,5·2,1·7 = 7,35 A.

Амплитудное значение тока диода

I_В.макс = 0,5FI₀ = 0,5·4·7 = 14 A.

Число диодов 4.

Для данного выпрямителя можно использовать диоды типа Д305, имеющие U_{обр. макс.}= 50 В, I_0В = 10 А (справочные данные). Данные диоды имеют значительный запас по величине наибольшей амплитуды обратного напряжения и наибольшему выпрямленному среднему значению тока.

5. Выполнить расчет сглаживающего фильтра.

5.1. Предварительный расчет выполнить из условия, что в качестве фильтра используется единичный конденсатор. Если емкость получится не более 1 Ф, то этого достаточно и фильтр будет простейшим. При расчете фильтра следует учитывать, что коэффициент сглаживания q= ε_вх/ε_вых, где ε_вх – коэффициент пульсаций на входе фильтра, а ε_вых – коэффициент пульсаций на выходе фильтра перед нагрузкой. При расчетах необходимо, в соответствии со схемой фильтра, использовать следующие формулы : , где m_сх – фазность выпрямителя (=1 для однополупериодного и =2 для двухполупериодного ),R_н – нагрузка блока питания, С – емкость, которую нужно установить после выпрямителя, ω=2πf — угловая частота, ƒ=50Гц-сетевая частота, определить сопротивление нагрузки можно из требуемой от блока питания мощности и параметров напряжения по формуле: .

5.2. Если при расчете окажется , что емкость конденсатора 1Ф и более, то необходимо рассчитать «Г»-образный LC или RC фильтр — тип на усмотрение студента. Нужно использовать формулы или. При этом за емкость фильтра принять половинную емкость из предварительного расчета.

Расчет емкости конденсатора фильтра

.

Выбираем электролитический конденсатор типа с рабочим напряжением 20 В и емкостью 8000 мкФ.

6.4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два p — n перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. В зависимости от чередования p и n областей различают транзисторы с p — n — p и n — p — n структурой, рис.6.14. Средний слой биполярного транзистора называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в электрическую цепь. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков – свободных дырок и электронов.

Рис. 6.14. Структура и графическое обозначение биполярных транзисторов p — n — p типа (а) и n — p — n типа (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, коллектором и базой – коллекторным. Эмиттерный переход включается в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном направлении. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой, рис.6.15,а. Схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором приведены на рис.6.15, б, в.

Рис. 6.15. Схемы включения транзистора: а – с общей базой, б – с общим эмиттером, в – с общим коллектором

Толщина базы выбирается достаточно малой, чтобы дырки, двигаясь через базу, не успели рекомбинировать с электронами в области базы. Таким образом, основная часть дырок пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются электрическим полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в цепи коллектора ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току I_Э:

I_К ≈ α I_Э.

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U_ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

Входные характеристики устанавливают зависимость тока базы I_Б от напряжения эмиттер — база U_ЭБ при неизменном напряжении коллектор — эмиттер U_КЭ. Входные (базовые) статические характеристики для схемы ОЭ германиевого транзистора p — n — p типа ГТ320А приведены на рис.6.16.

Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, повышение напряжения на нем приводит к увеличению тока, подобно характеристики полупроводникового диода.

Выходные (коллекторные) статические характеристики устанавливают связь между коллекторным током I_К и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б. Выходные характеристики транзистора ГТ320А, включенного по схеме ОЭ, приведены на рис.6.17.

В электронных устройствах широко используется схема усилителя с общим эмиттером, представленная на рис.6.18. В качестве усилительного элемента в данном случае используется транзистор ГТ320А. Сопротивление нагрузки усилительного каскада R_К включено в коллекторную цепь транзистора. Входное усиливаемое напряжение U_ВХ подается на базу транзистора. Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения Е_К.

Рис. 6.16. Входные статические характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.17. Выходные характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.18. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Данное уравнение является уравнением прямой, которое наносится

Режимы работы усилительного каскада находятся по уравнению нагрузки, которое определяется следующим образом. Напряжение коллектора U_КЭ = U_ВЫХ при наличии нагрузки R_К в его цепи, как следует из рис. 6.18, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, равно

U_КЭ = Е_К – R_К·I_К.

на семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Построение прямой (уравнения нагрузки) проводится путем нахождения двух точек, приравнивая поочередно нулю U_КЭ и I_К в уравнении нагрузки. При U_КЭ = 0 имеем точку 1 линии нагрузки I_К = Е_К /R_К, точку 2 получаем при I_К = 0, U_КЭ = Е_К. Данный режим работы усилительного каскада выбран при R_К = 100 Ом, Е_К = 10 В.

Пересечение линий нагрузки с коллекторными характеристиками определяет режим работы усилительного каскада при различных базовых токах.

6.5. Пример расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Для схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на рис. 6.18, определить основные параметры усилителя при следующих значениях номиналов элементов схемы: транзистор ГТ320А, входные и выходные характеристики которого представлены на рис. 6.16, 6.17; резисторы в цепи базы транзистора R₁ = 500 Ом, R₂ = 300 Ом; резистор в коллекторной цепи R_K = 100 Ом; источник питания усилительного каскада E_K = 10 В; амплитуда входного синусоидального сигнала низкой частоты, подлежащего усилению U_m = 0,1 В.

Параметры усилительного каскада, подлежащие определению:

1. Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.6.16 и рис.6.17).

2. h – параметры транзистора в районе рабочей точки.

3. Входное сопротивление усилительного каскада, R_ВХ.

4. Выходное сопротивление усилительного каскада, R_ВЫХ.

5. Коэффициент усиления каскада по напряжению, K_U.

6. Величина выходного напряжения усилительного каскада.

Режим покоя усилительного каскада, при котором U_ВХ = 0, определяет положение рабочей точки на семействе выходных характеристик на рис. 6.17. Положение рабочей точки (точка А) определяется значениями сопротивлений базовых резисторов R₁, R₂, коллекторного резистора R_K при заданном значении напряжения питания Е_К. Резисторы R₁, R₂ создают на входе усилительного каскада в режиме покоя эквивалентную ЭДС, равную

Эквивалентное базовое сопротивление каскада равно

По второму закону Кирхгофа для входной цепи в режиме покоя имеем:

E_ЭКВ = I_БR_Б + U_БЭ,

где U_БЭ — напряжение между базой и эмиттером в режиме покоя.

Данное уравнение изображается на входной характеристике транзистора в виде прямой линии (линии нагрузки), построение которой проходит путем нахождения двух характерных точек: в режиме холостого хода, когда I_Б = 0, имеем U_БЭ = E_ЭКВ= 0,56 В; и в режиме короткого замыкания — U_БЭ = 0, имеем I_Б = E_ЭКВ/R_Б = 0,56/283 = 0,00198 А = 1,98 mА. В результате пересечения линии нагрузки с входной характеристикой I_Б = f(U_БЭ), при U_КЭ = — 5 В находим положение точки покоя (рабочей точки) I_Б0 = 0,48 мА, U_БЭ0 = 0,43 В.

Положение рабочей точки на коллекторных характеристиках получается при пересечении линии нагрузки с характеристикой I_K = f(U_КЭ), при I_Б0 = 0,48 mА. Построение данной характеристики проводим приближенно, она лежит между характеристиками при I_Б = 0,4 mА и I_Б = 0,6 mА. Таким образом, в коллекторной цепи рабочая точка будет соответствовать значениям I_K0 = 35 mА и U_КЭ0 = 6,6 В.

При работе транзисторов в качестве усилителей малых электрических сигналов, свойства транзисторов определяются с помощью, так называемых, h – параметров. Всего h – параметров четыре: h₁₁, h₁₂, h₂₁ и h₂₂. Они связывают входные и выходные токи и напряжения транзистора и определяются для схемы ОЭ, рис.6.15, б, по следующим выражениям:

h₁₁ = ∆U_ВХ/∆I_ВХ = ∆U_БЭ/∆I_Б при неизменном напряжении. U_ВЫХ = U_КЭ = const.

Параметр h₁₁ численно равен входному сопротивления схемы ОЭ. Знак ∆ обозначает приращение соответствующей величины тока или напряжения.

h₁₂ = ∆U_ВХ/∆U_ВЫХ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h₁₂ равен коэффициенту обратной связи по напряжению.

h₂₁ = ∆I_ВЫХ/∆I_ВХ = ∆I_К/∆I_Б при U_КЭ = const.

Параметр h₂₁ равен коэффициенту прямой передачи по току.

h₂₂ = ∆I_ВЫХ/ ∆U_ВЫХ = ∆I_К/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h₂₂ равен выходной проводимости транзистора.

Значения h – параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик транзистора. Параметры входной цепи h₁₁ и h₁₂ определяют по входным характеристикам транзистора, рис.6.16. Рабочая точка А определяется при пересечении линии нагрузки с входной характеристикой транзистора при U_КЭ = — 5 В. В результате чего имеем U_КЭ0 = 0,43 В, I_Б0 = 0,48 mА. В данной рабочей точке задаем приращение тока базы ∆I_Б при постоянном напряжении коллектора U_КЭ = — 5 В и находим получающееся при этом приращение напряжения базы ∆U_БЭ. Тогда входное сопротивление транзистора равно

h₁₁ = ∆U_БЭ/∆I_Б = 0,1 В/ 0,3 mА = 333 Ом.

Затем при постоянном токе базы I_Б = 0,48 mА задаем приращение напряжения коллектора ∆U_КЭ = 5 В и определяем получающееся при этом приращение напряжения базы ∆U_БЭ= 0,25 В. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению равен

h₁₂ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ= 0,25 /5 = 0,05.

Параметры h₂₁ и h₂₂ определяют по выходным характеристикам транзистора, рис.6.17. В районе рабочей точки А (I_Б = 0,48 mА, U_КЭ = — 5 В) при постоянном токе базы I_Б = 5 mА задаем приращение коллекторного напряжения ∆U_КЭ = 5 В и находим при этом приращение тока коллектора ∆I_К2 = 5 mА. Тогда выходная проводимость транзистора равна

h₂₂ = ∆I_К2/∆U_КЭ = 5 mА /5 В = 1,0 мСм.

Далее при постоянном напряжении коллектора U_КЭ= 5 В задаем приращение тока базы ∆I_Б = 0,2 mА и определяем получающееся при этом приращение тока коллектора ∆I_К1 = 20 mА. Тогда коэффициент передачи по току равен

h₂₁ = ∆I_К1/∆I_Б = 20 mА / 0,2 mА = 100.

Входное сопротивление усилительного каскада равно:

Выходное сопротивление усилительного каскада равно:

Коэффициент усиления по напряжению

Величина выходного напряжения усилительного каскада

U_ВЫХ = К_UU_ВХ = 27,3·0,1 = 2,73 В.

Контрольные вопросы к зачету (экзамену) по разделу » Основы электроники».

1. Зонная структура собственного полупроводника. Что такое валентная зона? Что такое зона проводимости? Что такое запрещенная зона? Проводимость собственного полупроводника.

2. Зонная структура и проводимость акцепторного полупроводника..

3. Зонная структура и проводимость донорного полупроводника Что такое основные носители? Что такое не основные носители? Механизм генерации неосновных носителей заряда.

4. Технология изготовления p-n — перехода. Образование p-n — перехода. Основные параметры p-n — перехода.

5. P-n- переход в равновесном состоянии. Потенциальный барьер?

Токи через п-р переход?

6. P-n переход смещенный в прямом направлении? Потенциальный барьер? Токи через p-n — переход.

7. . P-n — переход смещенный в обратном направлении? Потенциальный барьер? Токи через п-р переход?

8. Идеальная характеристика p-n — перехода .

9. Диод. Типы диода. Условные обозначения. Рабочая схема диода. Вольт – амперная характеристика диода. Ее отличия от идеальной вольт – амперной характеристики.

10. Лавинный пробой. Механизм развития. Тепловой пробой. Емкости п-р – перехода.

11. Параметры и маркировка диода.

12. Биполярный транзистор .Типы транзистора. Схемы включения .

13. Принцип действия, токи транзистора.

14. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

15. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

16. Предельно-допустимые параметры транзисторов. Маркировка.

17. Полевые транзисторы. Типы транзисторов . Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка

18. Тиристоры. Типы тиристоров . Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка.

19. Оптоэлектронные приборы. Фотоприемники.

20. Оптоэлектронные приборы. Светоизлучающие приборы

19. Микросхемы. Классификация , маркировка назначение.

20. Вторичные источники тока. Блок-схема, назначение.

21. Полупроводниковые выпрямители. Электрические схемы и принцип работы выпрямителя. Электрические фильтры.

22. Стабилизаторы напряжения и тока.

23. Тиристорные преобразователи.

24. Классификация и принцип действия усилителей переменного тока.

25. Анализ работы однокаскадного усилителя.

26. Обратные связи. Их влияние на параметры усиления.

27. Многокаскадные усилители.

28. Усилители постоянного тока . Операционный усилитель.

29. Автогенераторы , LC — типа и генераторы RC- типа.

30. Транзисторный ключ.

31. Логические операции и способы их аппаратной реализации.

32. Логические схемы.

33. Микропроцессор.

34. Электрические измерения.

35. Электрические приборы.

89

Коэффициент выпрямления диодного моста

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
— Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

— А для чего нам ещё «нахрен не упал» профессиональный электрик?
— Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
— А электрик?
— Электрик, электрик. Что электрик. «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался. »

Итак, приступим.
Выпрямитель — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора — штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
U_действ = U_ампл/√ 2 и I_действ = I_ампл/√ 2 .
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают — не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.

Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом — напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным — с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке I_обм = 2×I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
U_обр > 3,14×U_н и I_макс > 3,14×I_н .

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде — с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме — нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке I_обм = I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
U_обр > 3,14×U_н и I_макс > 1,57×I_н .

И наконец, классика жанра —
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.

Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного — через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное — более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную I_обм = 1,41×I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
U_обр > 1,57×U_н и I_макс > 1,57×I_н .

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений U_обр и I_макс по отношению к однополярной схеме.

Значения U_обр и I_макс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах — это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×I_н/(U_н×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×I_н/(U_н×К_п) — для двухполупериодных,
где К_п — это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» — авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

Источник: vpayaem.ru

Типы выпрямителей переменного тока

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Источник: go-radio.ru

Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных электронных устройств, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д.

Для упрощения понимания работы схем выпрямления будем исходить из расчета, что выпрямитель работает на активную нагрузку.

Однофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления

На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.

Рисунок 1 — Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема — диод открыт, б) схема — диод закрыт, в) временные диаграммы работы

Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б).

Т.о. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная мостовая схема выпрямления

Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 — отрицательным полюсом.

Рисунок 2 — Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема — выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы

Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.

Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций — 0,67.

спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

Трехфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 2.61, а): катодную — диоды VD1, VD3, VD5 и анодную VD2, VD4, VD6. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов, т.е. к диагонали выпрямленного моста. Схема подключается к трехфазной сети.

Рисунок 3 — Трехфазный мостовой выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

В каждый момент времени ток нагрузки протекает через два диода. В катодной группе в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 3, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал. Каждый из диодов работает в течение одной трети периода. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет всего 0,057.

Управляемыми выпрямителями — выпрямители, которые совместно с выпрямление переменного напряжения (тока) обеспечивают регулирование величины выпрямленного напряжения (тока).

Управляемые выпрямители применяют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, яркости свечения ламп накаливания, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.

Схемы управляемых выпрямителей строятся на тиристорах и основаны на управлении моментом открытия тиристоров.

На рисунке 4,а представлена схема однофазного управляемого выпрямителя. Для возможности выпрямления двух полуволн сетевого напряжения используется трансформатор с двухфазной вторичной обмоткой, в которой формируется два напряжения с противоположными фазами. В каждую фазу включается тиристор. Положительный полупериод напряжения U2 выпрямляет тиристор VS1, отрицательный – VS2.

Схема управления СУ формирует импульсы для открывания тиристоров. Время подачи открывающих импульсов определяет, какая часть полуволны выделяется на нагрузке. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и открывающего импульса на управляющем электроде.

Если импульс приходит в момент времени t0 (рис. 4,б) тиристор открыт в течении всего полупериода и на нагрузке максимальное напряжение, если в моменты времени t1, t2, t3, то только часть сетевого напряжения выделяется в нагрузке.

Рисунок 4 — Однофазный выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания тиристора, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. Изменяя угол α (сдвиг по фазе управляющих импульсов относительно напряжения на анодах тиристоров), мы изменяться время открытого состояния тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение на нагрузке.

Источник: electricalschool.info

Выпрямители тока, принцип работы и схемы выпрямления электрического тока

В данной статье расскажем что такое выпрямитель тока, принципы его работы и схемы выпрямления электрического тока.

Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (одно полярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

где: π — константа равная 3,14.

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R _н , диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А».

Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R _н , диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

где: π — константа равная 3,14.

Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):

Трёхфазные выпрямители электрического тока (Схема Ларионова)

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».

При конструировании блоков питания

Для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

— максимальное обратное напряжение диода – U _обр ;

— максимальный ток диода – I _max ;

— прямое падение напряжения на диоде – U _пр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода U _обр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n, который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока I _max выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – U _пр, это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей электрического тока предназначены для преобразования переменного — изменяющего полярность напряжения в однополярное — не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания, устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

Источник: meanders.ru

Принцип работы, характеристика и разновидности выпрямительных диодов

Выпрямительный диод — это прибор проводящий ток только в одну сторону. В основе его конструкции один p-n переход и два вывода. Такой диод изменяет ток переменный на постоянный. Помимо этого, их повсеместно практикуют в электросхемах умножения напряжения, цепях, где отсутствуют жесткие требования к параметрам сигнала по времени и частоте.

• Принцип работы
• Разновидности устройств, их обозначение
• Вольт-амперная характеристика
• Коэффициент выпрямления
• Основные параметры устройств
• Выпрямительные схемы
• Импульсные приборы
• Импортные приборы

Принцип работы

Принцип работы этого устройства основывается на особенностях p-n перехода. Возле переходов двух полупроводников расположен слой, в котором отсутствуют носители заряда. Это запирающий слой. Его сопротивление велико.

При воздействии на слой определенного внешнего переменного напряжения, толщина его становится меньше, а впоследствии и вообще исчезнет. Возрастающий при этом ток называют прямым. Он проходит от анода к катоду. Если внешнее переменное напряжение будет иметь другую полярность, то запирающий слой будет больше, сопротивление возрастет.

Разновидности устройств, их обозначение

По конструкции различают приборы двух видов: точечные и плоскостные. В промышленности наиболее распространены кремниевые (обозначение — Si) и германиевые (обозначение — Ge). У первых рабочая температура выше. Преимущество вторых — малое падение напряжения при прямом токе.

Принцип обозначений диодов – это буквенно-цифровой код:

• Первый элемент – обозначение материала из которого он выполнен;
• Второй определяет подкласс;
• Третий обозначает рабочие возможности;
• Четвертый является порядковым номером разработки;
• Пятый – обозначение разбраковки по параметрам.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперную характеристику (ВАХ) выпрямительного диода можно представить графически. Из графика видно, что ВАХ устройства нелинейная.

В начальном квадранте Вольт-амперной характеристики ее прямая ветвь отражает наибольшую проводимость устройства, когда к нему приложена прямая разность потенциалов. Обратная ветвь (третий квадрант) ВАХ отражает ситуацию низкой проводимости. Это происходит при обратной разности потенциалов.

Реальные Вольт-амперные характеристики подвластны температуре. С повышением температуры прямая разность потенциалов уменьшается.

Из графика Вольт-амперной характеристики следует, что при низкой проводимости ток через устройство не проходит. Однако при определенной величине обратного напряжения происходит лавинный пробой.

ВАХ кремниевых устройств отличается от германиевых. ВАХ приведены в зависимости от различных температур окружающей среды. Обратный ток кремниевых приборов намного меньше аналогичного параметра германиевых. Из графиков ВАХ следует, что она возрастает с увеличением температуры.

Важнейшим свойством является резкая асимметрия ВАХ. При прямом смещении – высокая проводимость, при обратном – низкая. Именно это свойство используется в выпрямительных приборах.

Коэффициент выпрямления

Анализируя приборные характеристики, следует отметить: учитываются такие величины, как коэффициент выпрямления, сопротивление, емкость устройства. Это дифференциальные параметры.

Он отражает качество выпрямителя.

Его можно рассчитать: он будет равен отношению прямого тока прибора к обратному. Такой расчет приемлем для идеального устройства. Значение коэффициента выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Основные параметры устройств

Какие же параметры характеризуют приборы? Основные параметры выпрямительных диодов:

• Наибольшее значение среднего прямого тока;
• Наибольшее допустимое значение обратного напряжения;
• Максимально допустимая частота разности потенциалов при заданном прямом токе.

Исходя из максимального значения прямого тока, выпрямительные диоды разделяют на:

• Приборы малой мощности. У них значение прямого тока до 300 мА;
• Выпрямительные диоды средней мощности. Диапазон изменения прямого тока от 300 мА до 10 А;
• Силовые (большой мощности). Значение более 10 А.

Существуют силовые устройства, зависящие от формы, материала, типа монтажа. Наиболее распространенные из них:

• Силовые приборы средней мощности. Их технические параметры позволяют работать с напряжением до 1,3 килоВольт;
• Силовые, большой мощности, могущие пропускать ток до 400 А. Это высоковольтные устройства. Существуют разные корпуса исполнения силовых диодов. Наиболее распространены штыревой и таблеточный вид.

Выпрямительные схемы

Схемы включения силовых устройств бывают различными. Для выпрямления сетевого напряжения они делятся на однофазные и многофазные, однополупериодные и двухполупериодные. Большинство из них однофазные. Ниже представлена конструкция такого однополупериодного выпрямителя и двух графиков напряжения на временной диаграмме.

Переменное напряжение U1 подается на вход (рис. а). Справа на графике оно представлено синусоидой. Состояние диода открытое. Через нагрузку Rн протекает ток. При отрицательном полупериоде диод закрыт. Поэтому к нагрузке подводится только положительная разность потенциалов. На рис. в отражена его временная зависимость. Эта разность потенциалов действует в течение одного полупериода. Отсюда происходит название схемы.

Самая простая двухполупериодная схема состоит из двух однополупериодных. Для такой конструкции выпрямления достаточно двух диодов и одного резистора.

Диоды пропускают только положительную волну переменного тока. Недостатком конструкции является то, что в полупериод переменная разность потенциалов снимается лишь с половины вторичной обмотки трансформатора.

Если в конструкции вместо двух диодов применить четыре коэффициент полезного действия повысится.

Выпрямители широко используются в различных сферах промышленности. Трехфазный прибор задействован в автомобильных генераторах. А применение изобретенного генератора переменного тока способствовало уменьшению размеров этого устройства. Помимо этого, увеличилась его надежность.

В высоковольтных устройствах широко применяют высоковольтные столбы, которые скомпонованы из диодов. Соединены они последовательно.

Импульсные приборы

Импульсным называют прибор, у которого время перехода из одного состояния в другое мало. Они применяются для работы в импульсных схемах. От своих выпрямительных аналогов такие приборы отличаются малыми емкостями p-n переходов.

Для приборов подобного класса, кроме параметров, указанных выше, следует отнести следующие:

• Максимальные импульсные прямые (обратные) напряжения, токи;
• Период установки прямого напряжения;
• Период восстановления обратного сопротивления прибора.

В быстродействующих импульсных схемах широко применяют диоды Шотки.

Импортные приборы

Отечественная промышленность производит достаточное количество приборов. Однако сегодня наиболее востребованы импортные. Они считаются более качественными.

Импортные устройства широко используются в схемах телевизоров и радиоприемников. Их также применяют для защиты различных приборов при неправильном подключении (неправильная полярность). Количество видов импортных диодов разнообразно. Полноценной альтернативной замены их на отечественные пока не существует.

Источник: electricvdele.ru

Выбор схемы выпрямителя	&nbsp
Переменное входное напряжение U2 (В)
Максимальный ток нагрузки Iн (А)
Пульсации выходного напряжения (%)
Выходное напряжение Uн на холостом ходу (В)
Выходное напряжение Uн при максимальном токе (В)
Параметр диодов — максимальный прямой ток (А)
Параметр диодов — максимальное обратное напряжение (В)
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)

Расчет зарядного устройства гин

Расчет зарядного устройства ГИН.

Для обеспечения заданной частоты срабатывания ГИН необходим расчет зарядного устройства (ЗУ) требуемой мощности.

В данном курсовом проекте произвести расчет ЗУ, в котором в качестве токоограничивающего элемента используется резистор.

Заряд конденсаторов через резистор от источника постоянного тока описывается уравнением (рис. 1): .

Рис. 1. Заряд конденсаторов через резистор от источника постоянного тока.

Рассмотрим схемы с зависимости зарядного напряжения во времени при однополупериодном и двухполупериодном выпрямлением (рис. 2).

Рис. 2. Схемы одно- и двухполупериодного заряда и соответствующие зависимости процесса заряда конденсаторов.

В приведенных схемах форма напряжения после выпрямителя имеет пульсирующий характер и напряжение на конденсаторе возрастает ступенчато.

Примем два условия:

1 – выпрямитель и конденсатор идеальные: у диодов прямое падение напряжение равно нулю, обратное — равно бесконечности; конденсатор не имеет утечки;

2 – заряд конденсаторов считать законченным при достижении в них напряжения 0,98Е.

Расчет напряжений на конденсаторах за каждый полупериод заряда определяется путем интегрирования тока через конденсатор за полупериод: , при этом ток за полупериод определяется из решения уравнения:

.

Более удобным и простым расчетным методом определения процесса заряда конденсатора является метод расчета по углу отсечки за каждый полупериод. Приращение напряжения на конденсаторе за полупериод определяется уравнением:

,

здесь: — угол отсечки, см. рис.2;

— постоянная времени цепи заряда;

= 314 – угловая частота сети переменного тока 50 Гц.

В первый полупериод = 0 и равно: .

Для определения (приращение напряжения на конденсаторе за второй полупериод) надо рассчитать : , отсюда . Затем определяется :

.

Приращение напряжения за два полупериода составляет: . Рассчитывается :

Определяем: ,

Приращение напряжения за три полупериода составляет: . Рассчитывается :

и т. д.

Расчет ведется до значения напряжения на конденсаторе, равном:

.

В курсовом проекте задана частота следования импульсов f_ГИН, тогда время заряда конденсаторов емкостью С=nС_к определяется обратной величиной:

Т₃=.

Определяем значение заданного сопротивления R из соотношения:

Т₃=3RC,→R=.

Находим число циклов заряда n, при котором напряжение заряда конденсаторов ГИН достигнет заданной величины.

Диоды для выпрямительного устройства выбираются по двум основным параметрам:

— допустимое значение обратного напряжения диода U_обр.

— допустимая величина прямого тока диода I_пр.

Величина обратного напряжения на диодах к моменту достижения на конденсаторах напряжения, близкого к амплитудному значению источника напряжения Е составляет: . В самом деле, при заряде конденсаторов практически до величины Е, в отрицательный полупериод к диоду прикладывается двойное амплитудное напряжение источника. Из этого значения выбирают требуемые диоды по обратному напряжению.

Последовательное включение диодов увеличивает обратное напряжение выпрямителя на число последовательно включенных диодов. На практике из-за некоторого разброса значения U_обр рекомендуется выбирать число последовательно включенных диодов таким, чтобы суммарное U_обр на 20 –25 % превышало 2Е:

.

В некоторых случаях для выравнивания напряжения по последовательно соединенным диодам параллельно диодам устанавливают резисторы высокого сопротивления, которые образуют высоковольтный выравнивающий делитель напряжения.

Типы высоковольтных диодов, которые могут быть использованы в выпрямительных устройствах, и их параметры, приведены в таблице 1.

Таблица 1.

№	Тип диода	Iпр, mА	Uобр, кВ
1	КЦ105В	100	6,0
2	КЦ105Г	75	8,0
3	КЦ105Д	75	10,0
4	Д1008	50	10,0

Для обеспечения требуемой величины прямого тока диоды могут быть соединены параллельно. Из-за возможного разброса параметров при параллельном соединении необходимо принимать величину прямого тока на 20 % ниже прямого номинального:

Выбор диодов по току производится из действующего значения зарядного тока, величина которого находится из выражения:

, где , Е_d= – ранее определенная величина

^

Выбор трансформатора производится исходя из требуемого уровня напряжения на высокой стороне и потребляемой мощности.

При заданной частоте следования импульсов ГИН — f, энергии ГИН в импульсе W и к.п.д. заряда , средняя мощность повышающего трансформатора составляет:

.

Известно, что к.п.д. заряда через резисторы составляет 50 %, поэтому мощность равна:

.

Для одно- и двухполупериодного заряда могут быть использованы испытательные трансформаторы, параметры которых приведены в таблице 2.

Таблица 2.

№	Тип трансформатора	U1, В	U2, кВ	Р, кВт	Кол. изолир. выводов ВН
1	ИОМ – 40 – 25 — 1	100	40	25	1
2	ИОМ – 75 – 25 — 1	100	75	25	1
3	ИОМ – 100 – 25 – 1	380	100	25	1
4	ИОМ – 100 – 40 – 2	380	100	40	2

Как правило, испытательные трансформаторы (см.

Регулятор напряжения выбирается по значению мощности и заданной глубине регулирования напряжения. Параметры автотрасформаторных регуляторов приведены в таблице 3.

Таблица 3

№	Тип регулятора напряжения	Входное напряжение U1, В	Пределы регулирования U2, В	Р, кВт	Iн, А
1	РНО – 220/5	220	0 –250	5	0 – 5
2	РНО – 220/10	220	0 — 250	10	0 – 10
3	РНО – 220/25	220	0 — 250	25	0 – 25
4	РНОМ – 220/50	220	0 — 250	50	0 — 50
5	РНОМ – 220/100	220	0 — 250	100	0 — 100

^

Стандартные схемы управления зарядом и коммутацией ГИН приведены на рис. 3а (однополупериодная схема заряда) и рис. 3б (двухполупериодная схема заряда).

Рис. 3а. Схема управления зарядом и коммутацией ГИН (однополупериодная схема заряда).

Рис. 3б. Схема управления зарядом и коммутацией ГИН (двухполупериодная схема заряда).

В данной схеме исходя из напряжения сети и передаваемой мощности необходимо выбрать тип контактора переменного тока. Сведения по контакторам приведены в таблице 4. Приводятся контакторы с двумя главными (силовыми) замыкающими контакторами (Р2, Р3) и двумя вспомогательными замыкающими (Р1). Тип контактора выбирается исходя из максимального тока первичной обмотки силового трансформатора, величину которого можно оценить из соотношений (см рис. 2): .

Таблица 4

№	Тип контактора	Номинальный ток, А	Кол. главных контактов	Кол. вспомогательных контактов
1	КП20/42	20	2	2
2	КП21/42	40	2	2
3	КПД111	60	2	2
4	КПВ602	100	2	2
5	КПВ603	160	2	2
6	КПВ634	250	2	2

Какое напряжение после диодного моста

Полупроводниковые однофазные выпрямители блоков питания.

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
– Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

– А для чего нам ещё “нахрен не упал” профессиональный электрик?
– Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
– А электрик?
– Электрик, электрик. Что электрик. «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался. »

Итак, приступим.
Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора – штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
U_действ = U_ампл/√ 2 и I_действ = I_ампл/√ 2 .
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают – не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.

Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом – напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным – с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке I_обм = 2×I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
U_обр > 3,14×U_н и I_макс > 3,14×I_н .

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде – с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме – нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке I_обм = I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
U_обр > 3,14×U_н и I_макс > 1,57×I_н .

И наконец, классика жанра –
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.

Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного – через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное – более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную I_обм = 1,41×I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
U_обр > 1,57×U_н и I_макс > 1,57×I_н .

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений U_обр и I_макс по отношению к однополярной схеме.

Значения U_обр и I_макс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах – это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×I_н/(U_н×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×I_н/(U_н×К_п) – для двухполупериодных,
где К_п – это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой “чистоты”:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) – малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) – усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) – предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» – авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

Полупроводниковые однофазные выпрямители блоков питания.

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
– Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

– А для чего нам ещё “нахрен не упал” профессиональный электрик?
– Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
– А электрик?
– Электрик, электрик. Что электрик. «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался. »

Итак, приступим.
Выпрямитель – это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора – штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
U_действ = U_ампл/√ 2 и I_действ = I_ампл/√ 2 .
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают – не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.

Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом – напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным – с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке I_обм = 2×I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
U_обр > 3,14×U_н и I_макс > 3,14×I_н .

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде – с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме – нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке I_обм = I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
U_обр > 3,14×U_н и I_макс > 1,57×I_н .

И наконец, классика жанра –
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.

Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного – через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное – более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную I_обм = 1,41×I_нагр и напряжение холостого хода

U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
U_обр > 1,57×U_н и I_макс > 1,57×I_н .

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений U_обр и I_макс по отношению к однополярной схеме.

Значения U_обр и I_макс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах – это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×I_н/(U_н×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×I_н/(U_н×К_п) – для двухполупериодных,
где К_п – это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой “чистоты”:
10 -3 . 10 -2 (0,1-1%) – малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10 -4 . 10 -3 (0,01-0,1%) – усилители радио и промежуточной частоты,
10 -5 . 10 -4 (0,001-0,01%) – предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» – авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

Типы выпрямителей переменного тока

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети – 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 – 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше “провалов” напряжения – тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов – общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop – V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 – 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор – смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой “Полупроводниковые выпрямители”.

Выпрямитель, схема диодного моста

Почти вся электронная аппаратура для своей работы требует определённую величину постоянного напряжения. В электрический сети передаётся синусоидальный сигнал с частотой 50 Гц. Для преобразования сигнала используется свойство полупроводниковых элементов пропускать ток только в одном направлении, а в другом блокировать его прохождение. В качестве преобразователя применяется схема диодного моста, позволяющая получать на выходе сигнал постоянной величины.

Физические свойства p-n перехода

Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).

Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.

Примешанные атомы начинают образовывать, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.

В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.

Принцип работы диода

Диод — это полупроводниковый прибор, имеющий малое сопротивление для тока в одном направлении, и препятствующий его прохождению в обратном. Физически диод состоит из одного p-n перехода. Конструктивно представляет собой элемент, содержащий два вывода. Вывод, подключённый к p-области, называется анодом, а соединённый с n-областью — катодом.

При работе диода существует три его состояния:

• сигнал на выводах отсутствует;
• он находится под действием прямого потенциала;
• он находится под действием обратного потенциала.

Прямым потенциалом называется такой сигнал, когда плюсовой полюс источника питания подключён к области p-типа полупроводника, другими словами, полярность внешнего напряжения совпадает с полярностью основных носителей. При обратном потенциале отрицательный полюс подключён к p-области, а положительный к n.

В области соединения материала n- и p-типа существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов и находится в уравновешенном состоянии. Высота барьера не превышает десятые доли вольта и препятствует продвижению носителей заряда вглубь материала.

Если к прибору подключено прямое напряжение, то величина потенциального барьера уменьшается и он практически не оказывает сопротивление протеканию тока. Его величина возрастает и зависит только сопротивления p- и n- области. При прикладывании обратного потенциала, величина барьера увеличивается, так как из n-области уходят электроны, а из p-области дырки. Слои обедняются и сопротивление барьера прохождению тока возрастает.

Основным показателем элемента является вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость между приложенным к нему потенциалом и током, протекающим через него. Представляется эта характеристика в виде графика, на котором указывается прямой и обратный ток.

Схема простого выпрямителя

Синусоидальное напряжение представляет собой периодический сигнал, изменяющийся во времени. С математической точки зрения он описывается функцией, в которой начало координат соответствует времени равным нулю. Сигнал состоит из двух полуволн. Находящаяся полуволна в верхней части координат относительно нуля называется положительным полупериодом, а в нижней части — отрицательным.

При подаче переменного напряжения на диод через подключённую к его выводам нагрузку, начинает протекать ток. Этот ток обусловлен тем, что в момент поступления положительного полупериода входного сигнала диод открывается. В этом случае к аноду прикладывается положительный потенциал, а к катоду отрицательный. При смене волны на отрицательный полупериод диод запирается, так как меняется полярность сигнала на его выводах.

Таким образом, получается, что диод как бы отрезает отрицательную полуволну, не пропуская её на нагрузку и на ней появляется пульсирующий ток только одной полярности. В зависимости от частоты приложенного напряжения, а для промышленных сетей она составляет 50 Гц, изменяется и расстояние между импульсами. Такого вида ток называется выпрямленным, а сам процесс —однополупериодным выпрямлением.

Выпрямляя сигнал, используя один диод, можно питать нагрузку, не предъявляющую особых требований к качеству напряжения. Например, нить накала. Но если запитать, например, приёмник, то появится низкочастотный гул, источником которого и будет промежуток, возникающий между импульсами. В некоторой мере для избавления от недостатков однополупериодного выпрямления совместно с диодом применяется параллельно включённый нагрузке конденсатор. Этот конденсатор будет заряжаться при поступлении импульсов и разряжаться при их отсутствии на нагрузку. А значит, чем больше значение ёмкости конденсатора, тем ток на нагрузке будет более сглажен.

Но наибольшего качества сигнала возможно достичь, если использовать для выпрямления одновременно две полуволны. Устройство, позволяющее это реализовать, получило название диодный мост, или по-другому — выпрямительный.

Диодный мост

Такое устройство представляет собой электрический прибор, служащий для преобразования переменного тока в постоянный. Словосочетание «диодный мост» образуется из слова «диод», что предполагает использование в нём диодов. Схема диодного моста выпрямителя зависит от сети переменного тока, к которой он подключается. Сеть может быть:

В зависимости от этого и выпрямительный мост называется мостом Гретца или выпрямителем Ларионова. В первом случае используется четыре диода, а во втором прибор собирается уже на шести.

Первая схема выпрямительного прибора собиралась на радиолампах и считалась сложным и дорогим решением. Но с развитием полупроводниковой техники диодный мост полностью вытеснил альтернативные способы выпрямления сигнала. Вместо диодов редко, но ещё применяются селеновые столбы.

Конструкции и характеристики прибора

Конструктивно выпрямительный мост выполняется из набора отдельных диодов или литого корпуса, имеющего четыре вывода. Корпус может быть плоского или цилиндрического вида. По принятому стандарту, значками на корпусе прибора отмечаются выводы подключения переменного напряжения и выходного постоянного сигнала. Выпрямители, имеющие корпус с отверстием, предназначены для крепления на радиатор. Основными характеристиками выпрямительного моста являются:

1. Наибольшее прямое напряжение. Это максимальная величина, при которой параметры прибора не выходят за границы допустимых.
2. Наибольшее допустимое обратное напряжение. Это максимальное импульсное напряжение, при котором мост длительно и надёжно работает.
3. Наибольший рабочий ток выпрямления. Обозначает средний ток, протекающий через мост.
4. Максимальная частота. Частота подаваемого на мост напряжения, при которой прибор работает эффективно и не превышает допустимый нагрев.

Превышение значений характеристик выпрямителя приводит к резкому сокращению срока его службы или пробою p-n переходов. Необходимо отметить такой момент, что все параметры диодов указываются для температуры окружающей среды 20 градусов. К недостаткам применения мостовой схемы выпрямления относят большее падение напряжения, по сравнению с однополупериодной схемой, и более низкое значение коэффициента полезного действия. Для уменьшения величины потерь и снижения нагрева мосты часто изготавливают с применением быстрых диодов Шотки.

Схема подключения устройства

На электрических схемах и печатных платах диодный выпрямитель обозначается в виде значка диода или латинскими буквами. Если выпрямитель собран из отдельных диодов, то рядом с каждым ставится обозначение VD и цифра, обозначающая порядковый номер диода в схеме. Редко используются надписи VDS или BD.

Диодный выпрямитель может подключаться напрямую к сети 220 вольт или после понижающего трансформатора, но схема включения его остаётся неизменной.

При поступлении сигнала в каждом из полупериодов ток сможет протекать только через свою пару диодов, а противоположная пара будет для него заперта. Для положительного полупериода открытыми будут VD2 и VD3, а для отрицательного VD1 и VD4. В итоге на выходе получится постоянный сигнал, но его частота пульсации будет увеличена в два раза. Для того чтобы уменьшить пульсацию выходного сигнала, используется, как и в случае с одним диодом, параллельное включение конденсатора С1. Такой конденсатор ещё называют сглаживающим.

Но случается так, что диодный мост ставится не только в переменную сеть, но и подключается в уже выпрямленную. Для чего нужен диодный мост в такой цепи, станет понятно, если обратить внимание в каких схемах используется такое его включение. Эти схемы связаны с использованием чувствительных радиоэлементов к переполюсовке питания. Использование моста позволяет осуществить простую, но эффективную защиту «от дурака». В случае ошибочного подключения полярности питания радиоэлементы, установленные за мостом, не выйдут из строя.

Проверка на работоспособность

Такой тип электронного прибора можно проверить, не выпаивая из схемы, так как в конструкциях устройств никакое его шунтирование не используется. В случае выпрямителя, собранного из диодов, проверяется каждый диод в отдельности. А в случае с монолитным корпусом измерения проводятся на всех четырёх его выводах.

Суть проверки сводится к прозвонке мультиметром диодов на короткое замыкание. Для этого выполняются следующие действия:

1. Мультиметр переключается в режим позвонки диодов или сопротивления.
2. Штекер одного провода (чёрного) вставляется в общее гнездо тестера, а второго (красного) в гнездо проверки сопротивления.
3. Щупом, подключённым чёрным проводом, дотроньтесь до первой ножки, а щупом красного провода до третьего вывода. Тестер должен показать бесконечность, а если поменять полярность проводов, то мультиметр покажет сопротивление перехода.
4. Минус тестера подается на четвёртую ногу, а плюс на третью. Мультиметр покажет сопротивление, при смене полярности бесконечность.
5. Минус на первую ногу, плюс на вторую. Тестер покажет открытый переход, при смене – закрытый.

Такие показания тестера говорят об исправности выпрямителя. В случае отсутствия мультиметра можно воспользоваться обычным вольтметром. Но при этом придётся подать питание на схему и замерить напряжение на сглаживающем конденсаторе. Его величина должна превышать входное в 1,4 раза.

Выбор схемы выпрямителя	&nbsp
Переменное входное напряжение U2 (В)
Максимальный ток нагрузки Iн (А)
Пульсации выходного напряжения (%)
Выходное напряжение Uн на холостом ходу (В)
Выходное напряжение Uн при максимальном токе (В)
Параметр диодов – максимальный прямой ток (А)
Параметр диодов – максимальное обратное напряжение (В)
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)
Выбор схемы выпрямителя	&nbsp
Переменное входное напряжение U2 (В)
Максимальный ток нагрузки Iн (А)
Пульсации выходного напряжения (%)
Выходное напряжение Uн на холостом ходу (В)
Выходное напряжение Uн при максимальном токе (В)
Параметр диодов – максимальный прямой ток (А)
Параметр диодов – максимальное обратное напряжение (В)
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)

Конденсатор

— Как рассчитать напряжение после выпрямителя?

Посмотрите на следующее изображение:

Это приблизительное представление о том, как выглядит напряжение на конденсаторе в двухполупериодной мостовой выпрямительной системе. (Как только он достигнет состояния равновесия.) Серая кривая должна показывать выпрямленный постоянный ток, выходящий из моста, но на самом деле это будет примерно на два диода ниже, и будет крошечный зазор около 180 градусов и 360 градусов, и поэтому на. Но это близко.Главное здесь то, что толстая черная линия показывает вам, как примерно выглядит напряжение конденсатора, когда есть реальная нагрузка, и конденсатор спроектирован в пределах некоторого диапазона причин для нагрузки.

Когда выпрямленное напряжение проходит через мост и возрастает, сначала оно ничего не делает, так как напряжение конденсатора выше. Но конденсатор по-прежнему подает ток на нагрузку и падает, поэтому в конечном итоге падающее напряжение конденсатора и возрастающее выпрямленное напряжение переключаются в достаточной степени, чтобы смещать в прямом направлении диоды в мосту, и напряжение конденсатора следует за нарастающим напряжением (или тем, что остается от это, это первая половина первой половины цикла.) За это очень короткое время до пиков напряжения моста, от нескольких градусов до 90 градусов, система трансформатор / мост подает ток на нагрузку и конденсатор .

Поскольку выпрямленное напряжение быстро падает и падает от своего пика при 90 градусах, оно также падает от напряжения конденсатора, и тогда конденсатор подает весь ток на нагрузку. Это должно продолжаться до следующего полупериода, обычно не намного, но где-то до 270 градусов, когда система трансформатор / мост снова подает весь ток.

Эта самая низкая точка спада напряжения должна быть достаточно высокой для следующей системы регулятора напряжения (если таковая имеется). Обратите внимание, что если нагрузка потребляет на больше тока на , чем раньше, то наклон этого спада будет более крутым, и упадет еще ниже, прежде чем возрастающее напряжение от мостового выпрямителя снова вернется к норме. Кроме того, если вы используете конденсатор меньшего размера, даже если ток нагрузки остается прежним, наклон также увеличивается. Поэтому вам нужно убедиться, что ваш конденсатор и ожидаемая нагрузка наихудшего случая соответствуют требованиям минимального входного напряжения для вашей следующей системы регулятора.

Как вы могли догадаться, к настоящему времени здесь нет простых, линейных задач, решающих все проблемы с помощью одного уравнения. Требуется некоторое размышление.

почему после добавления конденсатора повышается выпрямленное напряжение?

Выпрямленный сигнал переменного тока фиксирует пики. Входное напряжение 9 В переменного тока является эквивалентом RMS (среднеквадратичное значение ) — фактическая амплитуда синусоиды примерно на 40% выше среднего RMS (квадратный корень из 2 равен 1,414). Итак, на вашем изображении эквивалент 9 В составляет около 70% расстояния между 0 В и пиками.

Числа не соответствуют идеальному коэффициенту амплитуды квадратного корня из двух, потому что есть некоторое падение напряжения на двух включенных диодах, а также потому, что есть некоторые изменения в линейном напряжении.

Причина, по которой среднеквадратичное значение используется для описания напряжений переменного тока, заключается в том, что количество мощности (тепла), подаваемой на резистивную нагрузку, такое же, как и для источника 9 В постоянного тока 1A.

Редактировать: объяснение наблюдаемой разницы в измерении напряжения нагрузки для различных состояний нагрузочного конденсатора, объяснение того, почему цифровой мультиметр дает неправильные измерения для двухполупериодной выпрямленной формы волны…

Напряжение в этой цепи на самом деле не повышается. Когда конденсатор снят, двухполупериодный выпрямленный сигнал не выдерживает пиковых напряжений. Как упоминает Игнасио Васкес-Абрамс, цифровой мультиметр может неправильно измерять форму волны, особенно в случае отсутствия конденсатора - при условии, что вы измеряли с настройкой постоянного напряжения цифрового мультиметра, без конденсатора двухполупериодная выпрямленная форма волны может сбивать с толку. измерение. Измерение 9 В постоянного тока, сообщаемое цифровым мультиметром, соответствует номинальному среднеквадратичному эквиваленту 9 В переменного тока, поэтому, возможно, цифровой мультиметр каким-то образом измерял среднеквадратичное значение.Затем, когда вы добавили конденсатор, пики формы волны поддерживались достаточно долго, чтобы цифровой мультиметр мог начать точные измерения. К сожалению, измерительное оборудование может «лгать» нам при некоторых условиях. Иногда случается с лучшими из нас.

Цифровой мультиметр - это просто электронный прибор, а не волшебный ящик, который всегда дает правильное измерение напряжения. В большинстве цифровых мультиметров используется метод измерения, называемый интегрированием с двойным наклоном , при котором конденсатор сначала быстро заряжается до измеряемого напряжения, а затем конденсатор выборки разряжается через источник постоянного тока.Цифровой мультиметр считает, сколько времени нужно, чтобы разрядить конденсатор до нуля. Цифровой мультиметр отображает значение этого счетчика. Калибровка зависит от источника тока, напряжения смещения компаратора и качества конденсатора выборки. Этот метод дешев в реализации и отлично работает, если входной сигнал не меняется очень быстро. Но при подключении к этому двухполупериодному выпрямленному сигналу конденсатор выборки не остается на пиковом напряжении. Неизвестно, где начинается и заканчивается интервал выборки, поэтому трудно точно знать, сколько отсчетов может выдать цифровой мультиметр.Таким образом, если C опущен, значит, это не цепь постоянного тока, поэтому измерение постоянного тока с помощью цифрового мультиметра недействительно.

Вы также спрашивали об использовании другого значения C. Мостовой выпрямитель не регулируется, его выходное напряжение может изменяться в зависимости от сопротивления нагрузки. Изменение емкости нагрузки C влияет на реактивное сопротивление конденсатора Xc, что также влияет на импеданс нагрузки .

$$ Xc = \ frac {1} {2 * pi * частота * C}

$

Более низкое сопротивление нагрузки, как и сопротивление нагрузки, потребляет больше тока при заданном напряжении.Но в отличие от сопротивления формы сигналов тока и напряжения могут быть не в фазе. Таким образом, возможно наличие напряжения на конденсаторе даже при нулевом токе, и возможно наличие тока через катушку индуктивности даже при нулевом напряжении (при некоторых условиях).

Подключить реактивное сопротивление параллельно сопротивлению немного сложнее, чем подключить резисторы параллельно, потому что формы волны напряжения и тока синфазны для резистора, но сдвинуты по фазе на 90 градусов для конденсатора.При анализе цепей переменного тока мы используем комплексных чисел и векторных обозначений ( да, это действительно вещь ) для моделирования этих элементов цепи переменного тока. Если вы думаете об импедансе как о векторе с длиной вектора, действующей аналогично сопротивлению в законе Ома, и реактивному сопротивлению, действующему под прямым углом к ​​сопротивлению, то параллельное соединение резистора и конденсатора дает полное сопротивление нагрузки Z. Хотя это возможно Чтобы углубиться в математику, стоит упомянуть еще один важный момент:

Эта схема не регулируется. Если вы хотите получить на выходе 12 В постоянного тока, вы не можете просто выбрать номинал конденсатора и ожидать, что он всегда будет давать на выходе 12 В постоянного тока, независимо от того, какой ток нагрузки потребляется. Эта схема является хорошим строительным блоком для начала, но двухполупериодное выпрямленное выходное напряжение будет меняться в зависимости от изменения сетевого напряжения, а также тока нагрузки. Если вы действительно хотите, чтобы он регулировался, добавьте схему регулятора, такую ​​как 78M05 (или 78M12, если вам действительно нужно 12 В). В этом случае вам понадобится двухполупериодный мост, чтобы обеспечить немного больше, чем 12 В, чтобы у регулятора был некоторый запас для работы (но не слишком большой, потому что линейный регулятор работает, тратя ненужную энергию.)

Теория цепей переменного тока

поначалу может показаться сложной, потому что есть все эти удивительные математические вещи, такие как мнимые числа и закон Эйлера, которые, как оказалось, действительно работают в реальной жизни. Комментарий о том, как конденсатор «выравнивает пики» ... отчасти верен ... но это серьезное упрощение. Как вы обнаружили, подобное качественное утверждение не поможет вам определить , сколько емкости вам нужно для достижения вашей проектной цели по созданию источника питания 12 В постоянного тока.

Я не собираюсь здесь полностью объяснять теорию цепей переменного тока, но вот по крайней мере несколько интересных панировочных сухарей:

См. Https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_reactance

См. Https://en.wikipedia.org/wiki/Electrical_impedance

См. Https://en.wikipedia.org/wiki/Phasor

Учебное пособие по базовому устранению неисправностей блока питания

Рис. 1

Льюис Лофлин

Многие устройства, в частности твердотельная электроника, должны использовать постоянный или постоянный ток.Диод - это твердотельное устройство, проводящее только в одном направлении. Когда анод (A) положительный, а катод (K) отрицательный, ток от положительного к отрицательному будет течь через диод, через нагрузку и обратно к источнику питания.

Таким образом, ток будет течь только в положительном полупериоде (от 0 до 180 градусов), а диод отключится во время отрицательного полупериода от 180 градусов до 360 градусов. Период синусоидальной волны от 0 до 360 градусов равен 1 / F.В случае 60 Гц это 1/60 = 16,7 мс.

Связанные видео:

Базовые электронные блоки питания, часть 1
Базовые электронные блоки питания, часть 2
Создание низковольтного источника питания постоянного тока, часть 3

Лаборатория питания переменного тока по последовательным цепям, часть 1
Лаборатория питания переменного тока по последовательным цепям, часть 2

Что такое мощность? Напряжение (в вольтах) - это «толчок», а ток (в амперах) - это то, что толкают. (Электрические заряды) Мощность равна напряжению, умноженному на ток. Мощность измеряется в ваттах.Таким образом, один ампер на один вольт равен одному ватту. (Я не буду вдаваться в подробности закона Ома. См. Ваш текст.) Чтобы получить питание, мы должны иметь напряжение и ток вместе, поэтому открытый переключатель, обрыв провода или отключающий диод не дает питания.

В приведенном выше случае мы получаем очень плохую передачу мощности с выключенным диодом в течение отрицательного полупериода и положительного полупериода, постоянно меняющегося между нулем вольт и пиком. Обратите внимание, что Vmax является пиковым.

Рисунок 2

Допустим, AC in равно 12.6 вольт RMS. Чтобы получить пик, мы умножаем 12,6 на 1,414, что равно примерно 17,8 вольт. Но среднее (или измеренное) напряжение постоянного тока составляет пиковое время .3185 равно примерно 5,67 вольт. Это то, что называется пульсирующим постоянным током . Чистый постоянный ток, например, от автомобильного аккумулятора на 12 вольт, не имеет "пульсации" и будет настоящим 12 вольт.

Подключите вольтметр постоянного тока к нагрузке, показанной выше на рисунке 1, и вы увидите около 5,66 вольт. Переключите счетчик на переменный ток, все равно будет отображаться какое-то значение напряжения. Это нормально, поскольку вы читаете "рябь" на нефильтрованном необработанном D.C. Подключите тот же вольтметр переменного тока к чистому источнику постоянного тока, например, к автомобильному аккумулятору, он покажет ноль вольт переменного тока.

На рисунке 2 мы подключили конденсатор к нагрузке. Конденсатор заряжается в течение положительного полупериода, а затем разряжается через нагрузку в течение отрицательного полупериода, когда у нас нет выхода. Количество пульсаций зависит от сопротивления нагрузки и размера конденсатора.

Конденсатор большего размера создает меньшую пульсацию или более высокое сопротивление нагрузки (потребление меньшего тока, следовательно, меньшее время разряда конденсатора) снижает уровень пульсаций, поскольку у конденсатора меньше времени для разряда.Без нагрузки, только конденсатор и выпрямитель, конденсатор будет заряжаться до пика.

Предупреждение. При построении этих схем соблюдайте полярность конденсатора и диода. Номинальное напряжение конденсаторов должно превышать ожидаемое пиковое напряжение на 50%. Также обратите внимание на номинальные токи трансформаторов и диодов.

Рисунок 3

Двухполупериодное выпрямление

Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входного сигнала в постоянный ток (постоянный ток) и является более эффективным.Однако в схеме с трансформатором с нецентральным ответвлением требуется четыре диода вместо одного, необходимого для полуволнового выпрямления. Это связано с тем, что для каждой выходной полярности требуется по два выпрямителя. Расположенные таким образом четыре выпрямителя называются диодным мостом или мостовым выпрямителем.

Обратите внимание, что в этом примере стрелки показывают обычный ток, а не поток электронов, который я использую со своими учениками. Это вызывает бесконечную путаницу для студентов, поскольку военные и т. Д. Используют поток электронов в своих учебных материалах, в то время как классы полупроводников используют обычный ток.Просто помните об этом, следя за этим материалом. Электронный поток изменяется от отрицательного к положительному, обычный (или зарядовый) поток - от положительного к отрицательному.

На рисунке 3 D1 и D2 проводят в течение положительного полупериода, а D3 и D4 проводят в течение отрицательного полупериода. Мощность в два раза больше, чем при полуволновом выпрямлении, потому что мы используем оба полупериода. Используя снова 12 вольт переменного тока, мы получаем пиковое значение 12,6 X 1,414 или 17 вольт. (17,8 вольт) Но теперь, чтобы получить среднее значение, мы умножаем его на пик (17.8 вольт) на 0,637, что равняется 10,83 вольт, что вдвое больше, чем полуволна.

Кроме того, мы можем использовать конденсатор фильтра меньшего размера для устранения пульсаций, чем мы использовали для полуволнового выпрямления. Мы также удвоили частоту с 60 Гц до 120 Гц. Следует отметить, что при построении этой схемы напряжение на измерителе будет ниже одного вольт. Это связано с падением напряжения на диодах на 0,6 В, калибровкой измерителя из-за изменения частоты (с 60 Гц до 120 Гц) и ошибками расчетов.

Рисунок 4 типичных мостовых выпрямителей.

Рисунок 5

На рисунке 5 выше показан другой метод получения двухполупериодного выпрямления. В этом случае мы используем трансформатор с центральным отводом и два диода. При использовании центрального ответвителя (C) как общего, напряжение A и B сдвинуто по фазе на 180 градусов. Когда A положительный, D1 будет смещен в прямом направлении и будет проводить, в то время как B будет отрицательным, таким образом, обратное смещение D2 будет непроводящим. В отрицательном полупериоде по отношению к A, когда D1 не проводит, D2 будет проводить.

Следует отметить, что выходное напряжение будет уменьшено вдвое. Если мы используем трансформатор на 25,2 вольт, три ампер, выходное напряжение будет 12,6 вольт. Есть некоторые разногласия по поводу выходного тока. Мы имеем дело с усилителями RMS и должны учитывать импеданс трансформатора. (Z) В течение каждого полупериода в этой конфигурации ток проходит через половину всех обмоток. В зависимости от сопротивления провода, Z и т. Д. Ток может превышать номинальный ток в 1,2–1,8 раза. Я бы посоветовал с осторожностью относиться к этим утверждениям и не превышал бы 1.4. Все предыдущие правила для пикового напряжения, выходного напряжения и т. Д. Остаются в силе.

Материалы по теме: Основные силовые трансформаторы.

Измерение выпрямителя без нагрузки

Чак ​​Ньюкомб

Модель 189 была первым портативным мультиметром Fluke, предлагающим два способа измерения напряжения переменного тока. В функции Vac измерение было по существу таким же, как у большинства цифровых мультиметров Fluke, но 189 также позволяет вам измерять напряжение переменного тока при использовании функции Vdc. Это часть системы, которая позволяет измерителю отображать истинное среднеквадратичное значение комбинированного сигнала переменного и постоянного тока.Я знал, что это будет лишь вопросом времени, когда кто-нибудь сравнит показания двух функций переменного тока, и это было незадолго до того, как кто-то это сделал.

Это было в конце 2000 года, вскоре после появления Fluke 189, когда клиент позвонил с вопросом об измерении пульсаций переменного напряжения на выходе схемы мостового выпрямителя, способной производить токи 20 А или более. И, конечно же, он снял показания в обоих режимах.

Он обнаружил небольшую разницу в показаниях и позвонил нам, чтобы узнать, не что-то не так с его глюкометром.Я сказал человеку, ответившему на звонок, выяснить, не превышает ли разница в показаниях объединенных характеристик функций. Я также попросил его предоставить подробную информацию об измеряемой цепи и значения выполненных им измерений, чтобы мы могли их просмотреть и попытаться проверить различия в нашей инженерной лаборатории. Разница в показаниях была намного больше, чем допускают нормальные допуски, поэтому мне пришлось надеть ограничитель мышления.

Оказывается, измеряемая цепь была выходом недорогого зарядного устройства.Я догадался, что в коробке было чуть больше трансформатора и мостового выпрямителя. Если бы это было правдой и к выходу не было подключено никакой нагрузки, я был почти уверен, что мы могли бы получить практически любое желаемое значение. Почему? Что ж, оказывается, что на диодах есть емкости утечки и сопротивления, которые могут дать интересные результаты, когда единственной нагрузкой является измеритель высокого импеданса. Мы снова поговорили с вызывающим абонентом и попросили его подключить нагрузку (аккумулятор, который нужно зарядить) к выходу, а затем снова проверить его показания.Он это сделал, и результаты были более разумными и последовательными.

Теперь пришло время взглянуть на различия в двух режимах измерения и найти объяснение, казалось бы, странного поведения измерителя. Мы сделали это, но поскольку прошло уже почти семь лет, я фактически построил репрезентативную копию схемы зарядного устройства (за большие деньги - около 25 долларов США) и воссоздал тесты для этой колонки - так что результаты тестов будут свежи в моей памяти. . У меня не было под рукой 189, поэтому я использовал два других измерителя - более старый Fluke 77 и мой верный 87-V.

С помощью 87-В я сначала измерил переменное напряжение на выходе понижающего трансформатора. Было 14,15 вольт. Затем я измерил переменный ток на выходе ненагруженного мостового выпрямителя - около 0,7 В - пока все хорошо. Теперь я подключил вход 77 параллельно и установил его в режим V DC. 77 показывает 4,4 В постоянного тока - не то, что вы ожидаете от того, что должно было быть зарядным устройством на 12 В, в то время как показание 87 В переменного тока упало примерно до 0,4 В. Затем, когда я добавил резисторную нагрузку 20 кОм к выходу выпрямителя, все показания стабилизировались, как и следовало ожидать.Так что же происходит?

Ну, вход переменного тока большинства цифровых мультиметров Fluke представляет собой резистор 10 МОм, соединенный последовательно с большим конденсатором для блокировки постоянного тока. Функция Vdc тех же измерителей - это только резистор 10 мегабайт без последовательного конденсатора, поэтому он представляет другую нагрузку для схемы выпрямителя - ту, которая позволяет протекать небольшому количеству постоянного тока. Эта разница, представленная в емкости утечки и сопротивлении диодов выпрямительного моста, создает интересную форму волны, которая, по-видимому, приведет к тем странным результатам, которые я видел.

В заключительной части моего эксперимента использовались две другие измерительные функции моего 87-V. Я отключил мостовой выпрямитель от трансформатора и измерил емкость на переходах. Это было где-то около 0,6 нФ (после обнуления емкости измерительного провода). Затем, используя функцию nS в том же положении переключателя Ом, я обнаружил, что сопротивление утечки диодов с обратным смещением составляет около 1000 МОм. Мне было приятно, что я смог провести все эти тесты с моим любимым измерителем.

Урок?

Когда вы сталкиваетесь со странными или неожиданными результатами измерения, сначала проверьте очевидное - короткие замыкания и обрывы - иногда решающим фактором может быть связанная проводка. Затем подумайте о входных цепях вашего измерителя. Есть ли различия, как в этом случае, которые могли бы объяснить странные результаты?

Стоит изучить ваш глюкометр и руководство к нему и немного понять, как он работает, когда вы сталкиваетесь с проблемами, подобными этой.

Пульсации напряжения в выпрямителях - Inst Tools

Пульсация напряжения Как вы видели, конденсатор быстро заряжается в начале цикла и медленно разряжается через RL после положительного пика входного напряжения (когда диод смещен в обратном направлении).Изменение напряжения конденсатора из-за зарядки и разрядки называется пульсационным напряжением. Обычно рябь нежелательна; таким образом, чем меньше пульсация, тем лучше фильтрующее действие, как показано на рисунке ниже.

Рис. Пульсации напряжения полуволны (синяя линия).

Для данной входной частоты выходная частота двухполупериодного выпрямителя в два раза больше, чем полуволнового выпрямителя, как показано на рисунке 1. Это упрощает фильтрацию двухполупериодного выпрямителя из-за более короткого времени между пиками.При фильтрации двухполупериодное выпрямленное напряжение имеет меньшую пульсацию, чем полуволновое напряжение при тех же значениях сопротивления нагрузки и конденсатора. Конденсатор разряжается меньше во время более короткого интервала между двухполупериодными импульсами, как показано на рисунке 2.

Рис. 1: Период двухполупериодного выпрямленного напряжения вдвое меньше периода полуволнового выпрямленного напряжения. Выходная частота двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у однополупериодного выпрямителя.

Рис. 2: Сравнение пульсаций напряжения для полуволнового и двухполупериодного выпрямленных напряжений с одним и тем же фильтрующим конденсатором и нагрузкой, полученных на основе одного и того же синусоидального входного напряжения.

Коэффициент пульсации

Коэффициент пульсации (r) является показателем эффективности фильтра и определяется как

.

, где Vr (pp) - это напряжение пульсаций от пика до пика, а VDC - это постоянное (среднее) значение выходного напряжения фильтра, как показано на рисунке ниже. Чем ниже коэффициент пульсации, тем лучше фильтр. Коэффициент пульсации можно снизить, увеличив емкость конденсатора фильтра или увеличив сопротивление нагрузки.

Для двухполупериодного выпрямителя с конденсаторным входным фильтром приближения для полного размаха пульсаций напряжения, Vr (pp), и значения постоянного выходного напряжения фильтра, VDC, приведены в следующих уравнениях.Переменная Vp (rect) - это нефильтрованное пиковое выпрямленное напряжение. Обратите внимание, что при увеличении RL или C напряжение пульсаций уменьшается, а напряжение постоянного тока увеличивается.

Полупериодный выпрямитель

в блоке питания - Учебные пособия

В предыдущих разделах о диодах мы узнали о pn переходе и о том, как диод работает при прямом и обратном смещении. Мы также обсудили светодиоды, которые представляют собой диоды специального назначения, и узнали о его работе и различных применениях.На этот раз мы собираемся обсудить другое применение диода, которое действительно является общим для всех электронных систем, - выпрямитель, в частности, в данном случае полуволновой выпрямитель.

Выпрямители - это схемы, преобразующие переменное напряжение в постоянное. В основном они всегда присутствуют в источниках питания постоянного тока, которые работают от источника переменного напряжения. Способность диода пропускать ток в одном направлении и блокировать его в другом направлении делает их очень полезными в схемах выпрямителя.Когда диод используется в процессе выпрямления, его обычно называют выпрямителем.

БАЗОВЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Источники питания постоянного тока абсолютно необходимы в любой электронной системе, поскольку для работы всех активных электронных устройств требуется источник постоянного напряжения. Чтобы понять функцию выпрямителя в блоке питания, мы должны, по крайней мере, знать компоненты и принцип работы базового блока питания постоянного тока. С более высокого уровня компонентами источника питания постоянного тока являются трансформатор, выпрямитель, фильтр, регулятор и, наконец, нагрузка.Мы кратко рассмотрим их, а затем углубимся в выпрямительную часть.

Трансформатор

В большинстве случаев электронные устройства требуют меньшего уровня напряжения, чем уровень переменного напряжения, доступного в настенных розетках. Вот почему в базовых источниках питания постоянного тока (линейные регулируемые типы) первым элементом, который вы увидите, является трансформатор. Трансформатор позволяет снизить напряжение источника переменного тока до необходимого вам уровня, а также электрически изолирует источник переменного тока от выпрямителя, который является компонентом рядом с трансформатором.Вторичное напряжение трансформатора зависит от коэффициента трансформации. Но на самом деле, когда вы покупаете трансформатор, он указывается не на основе коэффициента передачи, а на основе вторичного или «выходного» напряжения
.

Выпрямитель

Выпрямитель, о котором мы поговорим позже, преобразует переменное напряжение на вторичной стороне трансформатора в пульсирующее постоянное напряжение. Это может быть полуволновой или двухполупериодный выпрямитель, но в этом уроке мы сосредоточимся только на полуволновом типе.

Фильтр

Импульсный выход выпрямителя недостаточно хорош для использования в электронных устройствах. Вот почему рядом с выпрямителем необходим фильтр, чтобы обеспечить плавное постоянное напряжение. Фильтр может быть одиночным электролитическим конденсатором или комбинацией электролитических и керамических конденсаторов.

Регулятор

Хотя выходной сигнал фильтра теперь более плавный, если есть изменения входного напряжения или нагрузки, это повлияет на выходное напряжение постоянного тока источника питания.Чтобы этого не произошло, после фильтра используется регулятор. Регулятор регулирует напряжение так, чтобы на нагрузке было постоянное напряжение постоянного тока. Регуляторы могут представлять собой одно полупроводниковое устройство, такое как стабилитрон, или могут быть более сложными интегральными схемами, обычно это компромисс между простотой и стоимостью и эффективностью.

ПОЛОВИННАЯ ПЕРЕДАЧА

Теперь, сосредотачиваясь на выпрямителе, как упоминалось ранее, выпрямители могут быть полуволновыми или двухполупериодными, но пока мы просто собираемся обсудить полуволновой выпрямитель.На изображении выше показана типичная схема применения однополупериодного выпрямителя. В сетевой розетке на 120 В переменного тока и частотой 60 Гц есть предохранитель F1 для защиты и трансформатор для понижения напряжения переменного тока до желаемого значения. Выходное напряжение на вторичной обмотке ниже, но его частота по-прежнему составляет 60 Гц, что означает, что напряжение будет изменяться с положительного на отрицательное и с отрицательного на положительное 60 раз в секунду. Теперь посмотрим, что происходит в течение одного цикла напряжения переменного тока в полуволновом выпрямителе.

Сейчас мы будем рассматривать диод как идеальный. Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении и пропускает ток через нагрузку, что создает выходное напряжение на нагрузке. Поскольку диод считается идеальным (действует как замкнутый переключатель), выходное напряжение на нагрузке выглядит как положительная половина входного переменного напряжения.

В однополупериодных выпрямителях используется только один диод для преобразования переменного напряжения в постоянное. Таким образом, когда напряжение изменяется с положительного на отрицательный полупериод, диод имеет обратное смещение и не пропускает ток.В этом случае во время отрицательного полупериода ток, который может пройти через нагрузку, отсутствует, поэтому напряжение на ней равно нулю.

При однополупериодном выпрямлении только положительный полупериод входного переменного напряжения преобразуется в постоянное. В результате на нагрузке возникает пульсация постоянного напряжения с частотой 60 Гц.

Влияние барьерного потенциала на выход полуволнового выпрямителя

Вот как работает полуволновой выпрямитель, когда диод считается идеальным.В действительности барьерный потенциал диода влияет на выход полуволнового выпрямителя. Из-за барьерного потенциала диод все еще открыт, когда входное напряжение ниже уровня барьерного потенциала, поэтому ширина волны немного меньше, чем вы ожидаете в идеальных условиях. Кроме того, если вы сравните графики входа и выхода, вы заметите смещение, и пиковое значение выходного напряжения на 0,7 В меньше пикового значения входного напряжения, если диод кремниевый.

Среднеквадратичное, пиковое и среднее значение

Напряжение переменного тока можно указать в терминах его пикового или среднеквадратичного (среднеквадратичного) значения.Однако напряжение переменного тока в розетке измеряется среднеквадратичным значением, равно как и вторичное напряжение трансформатора. Чтобы рассчитать выходное напряжение полуволнового выпрямителя, нам нужно сначала рассчитать пиковое значение вторичного напряжения трансформатора, умножив действующее значение его напряжения на 1,414. Затем вычтите барьерный потенциал, который обычно составляет 0,7 В от пикового значения вторичного напряжения.

В результате вы получите максимальное напряжение на нагрузке. Среднее или постоянное напряжение на нагрузке, которое вы увидите, если измеряете его с помощью вольтметра постоянного тока, определяется путем умножения пикового значения напряжения нагрузки на 0.318. Мы не будем вдаваться в математику, почему мы используем 1,414 или 0,318 в этих случаях, но я должен сказать, что эти числа применимы только в этих случаях с синусоидальными волнами.

Пиковое обратное напряжение

При использовании диодов в цепи выпрямителя следует учитывать еще одну важную вещь, которую следует учитывать - это номинальное пиковое обратное напряжение (PIV), также известное как пиковое обратное напряжение (PRV). Во время полупериодов, когда выпрямительный диод имеет обратное смещение, PIV - это максимальное обратное напряжение, которое увидит диод, иначе он будет поврежден.В схеме полуволнового выпрямителя PIV равно пиковому значению приложенного входного напряжения или вторичного напряжения трансформатора. Но рекомендуется использовать диод с номиналом как минимум на 20% выше, чем PIV. Вы можете проверить таблицу, чтобы увидеть рейтинг PIV диода.

Преимущества и недостатки

Однополупериодный выпрямитель дешев и прост в сборке. Однако из-за недостатков он используется редко. Во-первых, его эффективность невысока. Только 40,6% мощности переменного тока преобразуется в мощность постоянного тока, доступную для нагрузки, поэтому теряется много энергии.Во-вторых, поскольку эффективность полуволнового выпрямителя низкая, ожидается, что его коэффициент пульсаций будет высоким. Пульсирующая часть выхода выпрямителя называется пульсацией. В идеале на выходе выпрямителя не должно быть пульсаций, поскольку мы хотим, чтобы напряжение постоянного тока было плавным. Однако коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя очень высок, что указывает на плохое преобразование переменного тока в постоянный. Еще одним недостатком использования однополупериодного выпрямителя является его низкий коэффициент использования трансформатора (TUF). КПП в схеме однополупериодного выпрямителя всего 0.287, из идеального значения 1, что показывает, что трансформатор даже близко не используется.

---

Резюме

В этом руководстве мы обсудили выпрямители и их два типа. Мы также узнали о функции выпрямителя в базовом источнике питания постоянного тока и обсудили работу полуволнового выпрямителя. В нашем следующем уроке мы собираемся продемонстрировать базовый источник питания постоянного тока с полуволновым выпрямителем. Если у вас есть вопросы, оставьте их в комментариях ниже.Увидимся в нашем следующем уроке!

Полуавтоматический выпрямитель - обзор

В этом подразделе характеристики упомянутых выше выпрямителей будут оцениваться по следующим параметрам.

10.2.3.1 Взаимосвязь напряжений

Среднее значение напряжения нагрузки В _L , составляет В _{постоянного тока} и определяется как

(10,1) В постоянного тока = 1T∫0TvL (т) dt

В случае однополупериодного выпрямителя, рис.10.2 показывает, что напряжение нагрузки v _L ( t ) = 0 для отрицательного полупериода. Обратите внимание, что угловая частота источника ω = 2 π = T , и уравнение. (10.1) можно переписать как

(10.2) Vdc = 12π∫0Tvmsin ω t d (ωt)

Следовательно,

(10.3) Полуволна Vdc = Vmπ = 0,318 Вм

В случае двухполупериодный выпрямитель, рис. 10.4 и 10.6 показывают, что v _L ( t ) = V _m | sin ωt | как для положительного, так и для отрицательного полупериода.Следовательно, уравнение. (10.1) можно переписать как

(10.4) Vdc = 1π∫0πVmsinωt d (ω t)

Следовательно,

(10,5) Двухполупериодный Vdc = 2Vmπ = 0,636Vm

Среднеквадратичный (действующее значение) значение напряжения нагрузки В _L , составляет В _L , которое определяется как

(10,6) VL = [1T∫0πvL2 (t) dt] 1/2

In в случае однополупериодного выпрямителя, v _L ( t ) = 0 для отрицательного полупериода, поэтому уравнение.(10.6) можно переписать как

(10.7) VL = 12π∫0π (Vmsin ω t) 2d (ωt)

или

(10.8) Полуволновая VL = Vm2 = 0,5 Vm

В случае двухполупериодного выпрямителя, В _L ( т ) = В _м | sin ω t | как для положительного, так и для отрицательного полупериода. Следовательно, уравнение. (10.6) можно переписать как

(10.9) VL = 1π∫0π (Vmsin ω t) 2d (ωt)

или

(10.10) Двухполупериодная VL = Vm2 = 0,707 Vm

Результат Уравнение(10.10) соответствует ожидаемому, потому что действующее значение двухполупериодного выпрямленного напряжения должно быть равно значению исходного переменного напряжения.

10.2.3.2 Текущие отношения

Среднее значение тока нагрузки i _L составляет I _dc , а поскольку нагрузка R является чисто резистивной, его можно найти как

(10.11) Idc = VdcR

Действующее значение тока нагрузки i _L равно I _L и может быть найдено как

(10.12) IL = VLR

В случае однополупериодного выпрямителя из уравнения. (10,3)

(10,13) Idc полуволны = 0,318 VmR

и из уравнения. (10,8)

(10,14) Полупериодный IL = 0,5 ВмР

В случае двухполупериодного выпрямителя из уравнения. (10,5)

(10,15) Двухполупериодный Idc = 0,636 VmR

и из уравнения. (10.10)

(10.16) Двухполупериодный IL = 0,707 VmR

10.2.3.3 Коэффициент выпрямления

Коэффициент выпрямления, который является показателем качества для сравнения эффективности исправления, определяется как

(10.17) σ = PdcPL = VdcTdcVLIL

В случае полуволнового диодного выпрямителя коэффициент выпрямления можно определить, подставив уравнения (10.3), (10.13), (10.8) и (10.14) в уравнение. (10.17).

(10,18) Полуволна σ = (0,318 Вм) 2 (0,5 Вм) 2 = 40,5%

В случае двухполупериодного выпрямителя коэффициент выпрямления получается заменой уравнений. (10.5), (10.15), (10.10) и (10.16) в уравнение. (10.17).

(10,19) Двухполупериодный σ = (0,318 Вм) 2 (0,707 Вм) 2 = 81%

10.2.3.4 Форм-фактор

Форм-фактор (FF) определяется как отношение среднеквадратичного значение (нагревательная составляющая) напряжения или тока до его среднего значения,

(10.20) FF = VLVdc или ILIdc

В случае полуволнового выпрямителя FF можно найти, подставив уравнения (10.8) и (10.3) в уравнение. (10.20).

(10.21) Полупериодный FF = 0,5 Vm0,318 Vm = 1,57

В случае двухполупериодного выпрямителя FF можно найти, подставив уравнения (10.16) и (10.15) в уравнение. (10.20).

(10,22) Полноволновой FF = 0,707 Вм 0,636 Вм = 1,11

10.2.3.5 Коэффициент пульсаций

Коэффициент пульсаций (RF), который является мерой содержания пульсаций, определяется как

(10.23) RF = VacVdc

, где V _ac - эффективное (среднеквадратичное) значение переменной составляющей напряжения нагрузки v _L .

Подставляя уравнение. (10.24) в уравнение. (10,23) RF может быть выражен как

(10,25) RF = (VLVdc) 2-1 = FF2-1

В случае полуволнового выпрямителя

(10,26) Полупериодный RF = 1,572- 1 = 1,21

В случае двухполупериодного выпрямителя

(10,27) Двухполупериодный RF = 1,112-1 = 0,482

10.2.3.6 Коэффициент использования трансформатора

Коэффициент использования трансформатора (TUF), который является мерой качества выпрямительной цепи, определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к номинальной мощности трансформатора, требуемой в соответствии с требованиями вторичная обмотка,

(10,28) TUF = PdcVsIs = VdcIdcVsIs

, где В _s и I _s - номинальные значения действующего напряжения и действующего тока вторичного трансформатора.

Действующее значение вторичного тока трансформатора I _с совпадает со значением тока нагрузки I _L .Для однополупериодного выпрямителя I _s можно найти по формуле. (10.14).

(10.30) Полупериодное Is = 0,5 ВмР

Для двухполупериодного выпрямителя I _с находится из уравнения. (10.16).

(10,31) Двухполупериодный Is = 0,707 ВмР

Следовательно, TUF полуволнового выпрямителя можно получить, подставив уравнения (10.3), (10.13), (10.29) и (10.30) в уравнение. (10.28).

(10,32) Полуволновое значение TUF = 0,31820,707 × 0,5 = 0,286

Плохое значение TUF полуволнового выпрямителя означает, что используемый трансформатор должен иметь коэффициент 3.Номинальная мощность 496 (1 / 0,286) ВА для обеспечения выходной мощности 1 Вт постоянного тока на нагрузку. Кроме того, вторичная обмотка трансформатора должна пропускать постоянный ток, который может вызвать насыщение магнитопровода. В результате однополупериодные выпрямители используются только тогда, когда потребность в токе невелика.

В случае двухполупериодного выпрямителя с центральным трансформатором, схему можно рассматривать как два полуволновых выпрямителя, работающих вместе. Следовательно, номинальная мощность вторичной обмотки трансформатора, В _с I _с , вдвое больше, чем у полуволнового выпрямителя, но выходная мощность постоянного тока увеличивается в четыре раза из-за более высокого коэффициента выпрямления, как показано Уравнения.(10.5) и (10.15). Следовательно, TUF двухполупериодного выпрямителя с трансформатором с центральным отводом можно найти из уравнения. (10,32)

(10,33) Full-wavw TUF = 4 × 0,31822 × 0,707 × 0,5 = 0,572

В случае мостового выпрямителя он имеет самый высокий TUF в схемах однофазного выпрямителя, потому что токи, протекающие в обоих первичная и вторичная обмотки представляют собой сплошные синусоидальные волны. Подставляя уравнения.