Site Loader

Содержание

принцип работы, схемы и т.д.

Однополупериодный выпрямитель — это устройство или контур, проводящее во время одной половины цикла переменного тока. Однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводникового диода (D1) и сопротивления (RL).

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однополупериодного выпрямителя

В этом примере сопротивление RL представляет нагрузку, хотя, на самом деле, нагрузкой может быть любой элемент или группа элементов, которая может вызвать падение напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии прямого подключения — положительный электрический потенциал воздействует на его анод, а отрицательный потенциал воздействует на его катод. Когда D1 находится в состоянии прямого подключения, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки трансформатора, через сопротивление нагрузки, через диод, обратно к положительной стороне вторичной обмотки. Поскольку ток протекает через сопротивление нагрузки, в нём происходит падение напряжения; ток, выходящий из выпрямительного контура появляется в виде положительной полуволны на сопротивлении нагрузки.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

В течение второй половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии обратного подключения — на его анод воздействует отрицательный электрический потенциал, а положительный электрический потенциал воздействует на его катод. Этот диод не проводит, поэтому в сопротивлении нагрузки RL никакое напряжение не присутствует.

Однополупериодный выпрямитель в состоянии обратной проводимости D1

Как видно по форме кривой, у однополупериодных выпрямителей только одна полуволна постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе. По этой причине в оборудованиях обычно не применяются однополупериодные выпрямители; когда они используются, они обычно устанавливаются в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не бывают причиной для беспокойства.

Форма кривой выходного сигнала однополупериодного выпрямителя

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Выпрямитель – это устройство, преобразующее электрическую энергию переменного тока в постоянный.

Основой выпрямителя являются полупроводниковые приборы: диоды, тиристоры, транзисторы. В зависимости от используемых полупроводников выпрямитель может быть неуправляемым и управляемым.

Неуправляемый однополупериодный выпрямитель

Простейший выпрямитель состоит из одного диода и называется однофазным однополупериодным выпрямителем.

На данной схеме к выпрямителю подключена активная нагрузка в виде резистора R, а на первичную обмотку трансформатора подано переменное синусоидальное напряжение. На вторичной обмотке трансформатора, также образуется синусоидальное напряжение Uab.

В момент, когда потенциал точки a выше, чем точки b (данный процесс соответствует точкам на диаграмме 0,2π,4π…), к аноду диода приложено положительное напряжение U

ab, что вызывает ток id, который проходит через диод и нагрузка R оказывается под напряжением Ud.

Когда потенциал точки a меньше, чем точки b (соответствует точкам на диаграмме 3π, 5π…), к аноду диода приложено отрицательное напряжение Uab, что вызывает запирание диода. Ток id становится равным нулю.

Таким образом, диод пропускает ток только одну половину периода, отсюда и название – однополупериодный выпрямитель.

Среднее значение выпрямленного напряжения Ud  равно интегралу функции взятой за период 2π, но так как одну половину периода диод не пропускает ток, она равна нулю, значит U

d принимает вид:

где U2 действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

На диаграмме среднее значение выпрямленного напряжения Ud представлено в виде площади прямоугольника (оранжевая штриховка) с высотой Ud и основанием 2π. Эта площадь равна площади выпрямленной полуволны (зеленая штриховка).

Ток id повторяет по форме напряжение ud, потому как нагрузка в данном случае активная.

Среднее значение выпрямленного тока:

Управляемый однополупериодный выпрямитель

Для реализации управления величиной выпрямленного напряжения в схеме вместо диода используют тиристор.

Работа схема во многом аналогична схеме с диодом. В данном случае ток через нагрузку R будет проходить только при открытии тиристора VS. Открытие тиристора VS происходит при подаче на него управляющего импульса, и при условии, что к аноду тиристора приложено положительное (относительно катода) напряжение uab.

Задерживая подачу управляющего импульса на угол α относительно нулевого значения напряжения uab, можно изменять выпрямленное напряжение ud. Нетрудно заметить, что чем больше угол α, тем позже открывается тиристор VS, а следовательно, меньше значение выпрямленного напряжения ud. При угле α=0, схема полностью аналогична схеме с диодом.

Однофазная однополупериодная схема выпрямителя на практике не получила широкого распространения. Это связано с тем, что в результате выпрямления диодом тока во вторичной обмотке, образуется постоянная составляющая Id, которая оказывает подмагничивающее действие на магнитопровод трансформатора. В результате этого, при расчетах приходилось выбирать трансформатор завышенной мощности, что приводило к увеличению его массы и габаритов, и было нецелесообразно экономически.

  • Просмотров: 9756
  • Однополупериодный выпрямитель Принцип работы выпрямителя кратко Электроника,…

    Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про однополупериодный выпрямитель, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое однополупериодный выпрямитель , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база


    Считается, что трансформатор и выпрямительный диод — идеальны, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, у диода Rпр = 0 и Rобр = ∞.


    Рис.2 Схема однополупериодного выпрямителя

    Принцип работы выпрямителя

    Рассмотрим временные диаграммы однополупериодного выпрямителя (рис.3) в интервале времени 0 — T/2 диод VD1 открыт φА > φВ, в нагрузке течет ток iн .
    В интервале времени T/2 — T диод закрыт φА < φВ, к диоду приложено U2m.


    Рис.3 . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя
    Ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер и как следствие значительно отличаются от постоянных составляющих

    Основные электрические параметры выпрямителя

    Диод в выпрямителях является основным элементом и во многом определяет основные показатели выпрямителей.
    1. Uнср и Iнср – средние значения выпрямленных напряжения и тока в нагрузочном устройстве
    2. Мощность нагрузочного устройства Pнср = Uнср•Iнср
    3. Амплитуда основной гармоники Uоснг
    4. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

    5. КПД выпрямителя
    6. Обратное максимально напряжение на запертом диоде Uобрmax

    Определим среднее значение выпрямленного напряжения и тока в нагрузке.
    В однополупериодном выпрямителе теряется больше половины входного напряжения!

    Входное напряжение (напряжение на вторичной обмотке трансформатора):

    Среднее значение выпрямленного тока, средневыпрямленный ток равен току через диод:

    Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сетевого напряжения:
    fп = fосн
    Выпрямленное напряжение имеет несинусоидальную форму сигнала, поэтому может быть разложено в ряд Фурье:

    Так как частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети, то при расчете коэффициента пульсаций берут напряжение основной первой гармоники:

    р = 1,57 — очень большой коэффициент пульсаций – это является недостатком схемы.
    Обратное максимальное напряжение на запертом диоде равно амплитуде входного напряжения:

    При выборе выпрямительных диодов используются максимально допустимые параметры: ток прямой максимально допустимый и напряжение обратное максимально допустимое: Iпрmax, Uобрmax.
    Диод в выпрямителях является основным элементом, и его параметры во многом определяют основные параметры выпрямителей

    См. также

    А как ты думаешь, при улучшении однополупериодный выпрямитель, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое однополупериодный выпрямитель и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

    Выпрямители. Назначение, классификация, основные схемы и расчет. Однополупериодный выпрямитель, принцип его работы и схема

    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.

    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

    Выпрямители относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока.
    Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее так как назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

    Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные . К тому же они разделяются на однофазные и многофазные .

    Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

    Однополупериодный выпрямитель

    Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

    Среднее значение выпрямленного напряжения

    Действующее значение входного напряжения

    Среднее значение выпрямленного тока

    Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

    Коэффициент пульсаций

    К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.


    В бытовой технике однолупериодные выпрямители применяются в основном в импульсных источниках питания: из-за большой рабочей частоты (около 15 кГц а иногда и выше) пульсации не столь чувствительны и их легче сгладить.

    Двухполупериодный выпрямитель

    Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора


    Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

    U ср = 0.9U вх
    U вх = 1.11U ср
    I ср = 0.9U вх /R н
    I 2 = 0.78I ср
    p = 0.67

    Достоинства: удвоенные значения U ср и I ср , вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

    В этой статье мы разберем какие бывают выпрямители, для какой цели служат, в чем заключаются особенности того или иного выпрямителя. Если мы решаем собрать какое-либо устройство или просто необходимо запитать готовое, то мы можем использовать питание от гальванических элементов (батареек), либо воспользоваться для этих целей аккумуляторами. Но как быть, если радиоустройство не планируется носить с собой и оно потребляет значительный ток? В таких случаях запитывают устройство от сети 220 вольт.

    Напрямую запитать от 220 вольт, разумеется, мы не можем, напряжение слишком высокое и ток переменный, а для питания электронных устройств почти всегда необходим постоянный ток и более низкое напряжение. Необходим так называемый сетевой адаптер .

    Фотография трансформатора

    Понизить напряжение мы можем с помощью трансформатора, о нем мы поговорим в одной из следующих статей, пока нам достаточно знать, что с помощью трансформатора мы можем понизить или повысить напряжение при переменном токе. Далее нам необходимо сделать из переменного тока постоянный, для этих целей и служит выпрямитель. Существуют три основных типа выпрямителей.

    Однополупериодный выпрямитель



    Этот выпрямитель работает только в течение положительного полупериода синусоиды. Это можно видеть на следующем графике:


    На выходе после диода мы получаем пульсирующее напряжение, нам нужно сделать из него постоянное, то есть из пульсирующего тока получить постоянный. Для этих целей служит электролитический конденсатор большой емкости, подключенный параллельно выходу питания в соответствии с полярностью. На фотографии ниже можно увидеть внешний вид подобного конденсатора:


    Такой конденсатор благодаря большой емкости разряжается в течении отрицательного полупериода синусоиды. Обычно для фильтрации напряжения в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы от 2200 микрофарад. В усилителях и других устройствах, где важно чтобы напряжение не проседало при увеличении мощности нагрузки, ставят конденсаторы на большую емкость, чем 2200 микрофарад. Для устройств питающих бытовую аппаратуру обычно конденсаторов такой емкости бывает достаточно. На следующем графике (выделено красным), мы можем видеть, как конденсатор поддерживает напряжение стабильным во время прохождения отрицательной полуволны.


    Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой



    Для этой схемы необходим трансформатор, с двумя вторичными обмотками. Напряжение на диодах в два раза выше, чем при включении схемы с однополупериодным выпрямителем или при включении мостовой схемы. В этой схеме попеременно работают оба полупериода. В течении положительного полупериода работает одна часть схемы обозначенная В1 , во время отрицательного полупериода работает вторая часть схемы обозначенная В2 . Эта схема является менее экономичной, чем мостовая схема, в частности у неё более низкий коэффициент использования трансформатора. В этой схеме после диодов получается также пульсирующее напряжение, но частота пульсаций в два раза выше. Что мы и можем видеть на следующем графике:

    Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема



    И наконец, рассмотрим схему мостового выпрямителя, самую распространенную схему, по которой сделана большая часть всех выпущенных трансформаторных блоков питания. Сейчас объясню принцип работы :


    Ток у нас на выходе с трансформатора переменный, а переменный ток, как известно, в течение периода дважды меняет свое направление. Говоря другими словам, конечно же упрощенно, при переменном токе с частотой 50 герц, ток у нас 100 раз в секунду меняет свое направление. То есть сначала он течет от вывода диодного моста под цифрой один , ко второму, потом в течение другой полуволны он течет от вывода под номером два к первому.


    Рассмотрим, что происходит с диодным мостом при подаче напряжения, мы видим, на рисунке обозначен красным путь тока, напрямую пройти к выводу диодного моста соединенного с переменным током не позволит диод, который получается у нас включенный в обратном включении, а в обратном включении, как мы помним, диоды не пропускают ток. Току остается только один путь (выделено на рисунке синим), через нагрузку и через диод уйти в провод соединенный с выводом переменного тока. Когда у нас ток меняет свое направление, то вступает в действие вторая часть диодного моста, которая действует аналогично той, что описал выше. В итоге у нас получается на выходе такой же график напряжения, как и у двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:


    При сборке выпрямителя нужно учитывать полярность на выходе диодного моста, если мы подключим электролитический конденсатор неправильно, то рискуем испортить конденсатор и можно считать, что повезло, если этим все ограничится. Поэтому при сборке диодного моста важно помнить одно правило, плюс на выходе с моста всегда будет в точке соединения 2 катодов диодов, а минус в точке соединения анодов. Встречается и такое обозначение на схемах диодного моста:


    Диодный мост можно собрать как из отдельных диодов, так и взять специальную сборку из 4 диодов, уже соединенных по мостовой схеме, и имеющий 4 вывода. В таком случае остается только подать переменный ток, идущий обычно с вторичной обмотки трансформатора на два вывода моста, а с оставшихся двух выводов снимать плюс и минус. Обычно на самой детали бывает обозначено, где какой вывод у моста. Так выглядит импортный диодный мост:


    Фото диодный мост кц405

    Трехфазные выпрямители

    Существуют и трехфазные трансформаторы. Обычным однофазным диодным мостом с такого трансформатора не получится на выходе постоянный ток. Конечно, если нагрузка небольшая можно подключиться к одной фазе и к нулевому проводу трансформатора, но экономичным такое решение не назовешь.


    Для трехфазного тока существуют специальные схемы выпрямителей, две таких схемы приведены на рисунках ниже. Первая, известная как схема Миткевича , имеет низкий коэффициент габаритной мощности трансформатора. Эта схема применяется при небольших мощностях нагрузки.

    Вторая схема, известная как , нашла широкое применение в электротехнике, так как имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению со схемой Миткевича.


    Схема Ларионова может использоваться как «звезда-Ларионов” и «треугольник-Ларионов”. Вид подключения зависит от схемы подключения трансформатора, либо генератора, с выходом которого соединен этот выпрямитель. Автор статьи — AKV .

    Обсудить статью ВЫПРЯМИТЕЛИ

    Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется — один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток.

    Рис.3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

    (а — схема однополупериодного выпрямителя; б — диаграмма входного напряжения; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г — диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

    Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус — к катоду (рис.3.2,а). Диод открывается, и ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора.

    Во время отрицательной полуволны (в интервале π ÷ 2π) на анод диода поступает минус, а на катод — плюс входного напряжения, т.е. к диоду прикладывается обратное напряжение, и он закрыт.

    На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.3.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е 2 соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского словаdirect — прямой): R d — сопротивление нагрузки; u d — мгновенное значение выпрямленного напряжения; i d — мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

    ЭДС обмотки трансформатора синусоидадьна —

    e 2 =√2·E 2 ·sin Θ, где

    θ=ωt, E 2 — действующее значение ЭДС.

    Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

    Постоянная составляющая выпрямленного тока:

    Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля I аср = I d . Максимальное значение анодного тока:

    i a max =√2·E 2 /R d =I d ·π.

    Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

    U обр max = √2·E 2 = E d ·π.

    Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

    K п =U пульс max 01 /U d = (√2E 2 /2)/(√2E 2 /π) = π/2= 1,57

    Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

    Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой


    Рис.3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (рисунок выполнен авторами)

    (а — схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой; б — диаграмма входного напряжения на диодах VD1 и VD2; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г — диаграмма и среднее значение тока в нагрузке; д — ток в первичной обмотке трансформатора)

    Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rd и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.3.3,б) e2a и e2b.

    Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R d и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду — плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод VD2, а диод VD1 — закрыт. В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 3.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

    E d =2√2 ·E 2 /π; U d =2√2 ·E 2 /π; I d =U d /R d ;

    i a max = √2 ·E 2 /R d ; i а ср = I d /2; Uобр max= 2√2 ·E 2; K П ´= 0,66

    Однофазная мостовая схема


    Рис.3.4. Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

    (а — схема двухполупериодного выпрямитель, мостовая схема; б — диаграмма входного напряжения на диодах мостовой схемы; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г — диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

    Мостовая схема является наиболее распространённой. Она также двухполупериодная. Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки R d , диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку R d , диод VD4. В случае чисто активной нагрузки, пренебрежении индуктивностью обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет следующие основные соотношения:

    U d = 0,9 E 2 ; I d = U d /R d ; i a max = √2·E 2 ;

    I a cp = I d /2; U обр max = √2·E 2 ; K П = 0,66.

    Если сравнить мостовую схему и схему со средней точкой, то для получения одинакового напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора. В этой же схеме к диодам прикладывается вдвое большее напряжение, чем в мостовой. Учитывая это, предпочтение отдаётся мостовой схеме, хотя здесь и требуется больше диодов. При выборе диодов для выпрямителя выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

    Сглаживающие фильтры

    Рассмотрим следующую схему сглаживания выпрямленного напряжения.

    Рис.3.5. Сглаживание пульсаций с помощью емкостного фильтра (рисунок выполнен авторами)

    (а — схема однополупериодного выпрямителя; б — диаграмма входного напряжения; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке (пунктирной линией — без сглаживающего фильтра, красной линией — с емкостным фильтром)

    На сопротивлении нагрузки выделяется пульсирующее напряжение, форма которого значительно отличается от формы постоянного напряжения. Для сглаживания пульсирующего напряжения используются сглаживающие фильтры, которые состоят в большинстве случаев из конденсатора и дросселя. Конденсатор сглаживает пульсирующее напряжение, а дроссель задерживает переменную составляющую сглаженного напряжения от попадания в нагрузку. В настоящее время функции дросселя выполняют стабилизаторы напряжения. Принцип сглаживания можно проследить по графику (рис.3.5,в). Красной линией показано напряжение на конденсаторе (или сопротивлении нагрузки). Сглаживание напряжения происходит за счёт того, что во время уменьшения пульсирующего напряжения ток в нагрузке, а, следовательно, и напряжение на R н, поддерживаются напряжением зарядившегося конденсатора. При возрастании пульсирующего напряжения конденсатор снова подзаряжается и так далее. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

    Xc= 1/mωC, где m — пульсность схемы, т.е. количество пульсаций за период.

    Для однофазного однополупериодного выпрямителя m = 1, для однофазного двухполупериодного со средней точкой и мостового выпрямителя m = 2.

    Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом сглаживающего фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие ёмкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности используются Г-образные LC и RC-фильтры и П-образные СLC и СRC-фильтры. Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания:

    k= k Псх /k Пн,

    где k псх — коэффициент пульсаций на входе фильтра; k пн — коэффициент пульсаций на нагрузке. Ёмкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Применение ёмкостного фильтра рационально при достаточно больших значениях сопротивления нагрузки и коэффициента пульсаций на нагрузке. Фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 3.5,а). Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с ёмкостным фильтром находят по выражению:

    k П = 1/mωR н

    Индуктивно-ёмкостные фильтры (Г-образный LC-фильтр и П-образный CLC-фильтр) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. КПД у таких фильтров достаточно высокий. Недостатки индуктивно-ёмкостных фильтров: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

    Наиболее широко используется Г-образный LC-фильтр (рис. 3.6). Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий:

    X c = 1/mωC> X c.


    Рис.3.6. Индуктивно-ёмкостный сглаживающий фильтр —

    Г — образный при учитывании только LC 1 и П — образный C 0 LC 1 (рисунок выполнен авторами)

    При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе L, для коэффициента сглаживания можно записать:

    g = (mω) 2 LC — 1

    Для того, чтобы избежать резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать q>3. Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

    L ≥ 2U d /(m 2 — 1)mω·I d = 2R н /(m 2 — 1)mω.

    П-образный CLC-фильтр отличается от описанного LC-фильтра наличием еще одной ёмкости C 0 , включаемой на входе фильтра. Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают ёмкость конденсатора C 0 , исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при C 0 = C 1 .

    При выборе конденсаторов фильтра следует следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15…20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

    Резистивно-ёмкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10…15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

    Простейший Г-образный RC-фильтр (рис. 3.7) состоит из балластного резистора Rф и конденсатора С 1 . Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

    g = mωC · R н R ф / (R н +R ф).


    Рис. 3.7. Резистивно-ёмкостный сглаживающий фильтр — Г — образный при учитывании только R Ф C 1 и П — образный C 0 R Ф C 1 (рисунок выполнен авторами)

    Сопротивление фильтра R ф выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД η по формуле:

    R ф = R н (1-η)/η

    Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При каскадном включении LC-фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (q ф) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев:

    q ф = q 1 q 2 q 3 …q n

    (Петрович В. П., 2008). Для нахождения оптимального числа звеньев такого фильтра n опт при заданном q ф можно воспользоваться формулой.

    Выпрямление электрических колебаний , это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

    Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

    Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения,

    значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

    Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.

    Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рисунке 1.6.

    Диод, включенный таким образом, что приводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно

    .


    Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .

    В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменение направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.

    Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

    Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.

    Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рисунке 1.7.

    В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает. При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, получено


    го на выходе двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

    Технические параметры выпрямителя:

    Коэффициент пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

    Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме , определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

    Коэффициент полезного действия , это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

    Частотная пульсация выпрямителя , это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.

    Однополупериодный выпрямитель схема. Расчет выпрямителей напряжения

    В этой статье мы разберем какие бывают выпрямители, для какой цели служат, в чем заключаются особенности того или иного выпрямителя. Если мы решаем собрать какое-либо устройство или просто необходимо запитать готовое, то мы можем использовать питание от гальванических элементов (батареек), либо воспользоваться для этих целей аккумуляторами. Но как быть, если радиоустройство не планируется носить с собой и оно потребляет значительный ток? В таких случаях запитывают устройство от сети 220 вольт.

    Напрямую запитать от 220 вольт, разумеется, мы не можем, напряжение слишком высокое и ток переменный, а для питания электронных устройств почти всегда необходим постоянный ток и более низкое напряжение. Необходим так называемый сетевой адаптер .

    Фотография трансформатора

    Понизить напряжение мы можем с помощью трансформатора, о нем мы поговорим в одной из следующих статей, пока нам достаточно знать, что с помощью трансформатора мы можем понизить или повысить напряжение при переменном токе. Далее нам необходимо сделать из переменного тока постоянный, для этих целей и служит выпрямитель. Существуют три основных типа выпрямителей.

    Однополупериодный выпрямитель



    Этот выпрямитель работает только в течение положительного полупериода синусоиды. Это можно видеть на следующем графике:


    На выходе после диода мы получаем пульсирующее напряжение, нам нужно сделать из него постоянное, то есть из пульсирующего тока получить постоянный. Для этих целей служит электролитический конденсатор большой емкости, подключенный параллельно выходу питания в соответствии с полярностью. На фотографии ниже можно увидеть внешний вид подобного конденсатора:


    Такой конденсатор благодаря большой емкости разряжается в течении отрицательного полупериода синусоиды. Обычно для фильтрации напряжения в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы от 2200 микрофарад. В усилителях и других устройствах, где важно чтобы напряжение не проседало при увеличении мощности нагрузки, ставят конденсаторы на большую емкость, чем 2200 микрофарад. Для устройств питающих бытовую аппаратуру обычно конденсаторов такой емкости бывает достаточно. На следующем графике (выделено красным), мы можем видеть, как конденсатор поддерживает напряжение стабильным во время прохождения отрицательной полуволны.


    Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой



    Для этой схемы необходим трансформатор, с двумя вторичными обмотками. Напряжение на диодах в два раза выше, чем при включении схемы с однополупериодным выпрямителем или при включении мостовой схемы. В этой схеме попеременно работают оба полупериода. В течении положительного полупериода работает одна часть схемы обозначенная В1 , во время отрицательного полупериода работает вторая часть схемы обозначенная В2 . Эта схема является менее экономичной, чем мостовая схема, в частности у неё более низкий коэффициент использования трансформатора. В этой схеме после диодов получается также пульсирующее напряжение, но частота пульсаций в два раза выше. Что мы и можем видеть на следующем графике:

    Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема



    И наконец, рассмотрим схему мостового выпрямителя, самую распространенную схему, по которой сделана большая часть всех выпущенных трансформаторных блоков питания. Сейчас объясню принцип работы :


    Ток у нас на выходе с трансформатора переменный, а переменный ток, как известно, в течение периода дважды меняет свое направление. Говоря другими словам, конечно же упрощенно, при переменном токе с частотой 50 герц, ток у нас 100 раз в секунду меняет свое направление. То есть сначала он течет от вывода диодного моста под цифрой один , ко второму, потом в течение другой полуволны он течет от вывода под номером два к первому.


    Рассмотрим, что происходит с диодным мостом при подаче напряжения, мы видим, на рисунке обозначен красным путь тока, напрямую пройти к выводу диодного моста соединенного с переменным током не позволит диод, который получается у нас включенный в обратном включении, а в обратном включении, как мы помним, диоды не пропускают ток. Току остается только один путь (выделено на рисунке синим), через нагрузку и через диод уйти в провод соединенный с выводом переменного тока. Когда у нас ток меняет свое направление, то вступает в действие вторая часть диодного моста, которая действует аналогично той, что описал выше. В итоге у нас получается на выходе такой же график напряжения, как и у двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:


    При сборке выпрямителя нужно учитывать полярность на выходе диодного моста, если мы подключим электролитический конденсатор неправильно, то рискуем испортить конденсатор и можно считать, что повезло, если этим все ограничится. Поэтому при сборке диодного моста важно помнить одно правило, плюс на выходе с моста всегда будет в точке соединения 2 катодов диодов, а минус в точке соединения анодов. Встречается и такое обозначение на схемах диодного моста:


    Диодный мост можно собрать как из отдельных диодов, так и взять специальную сборку из 4 диодов, уже соединенных по мостовой схеме, и имеющий 4 вывода. В таком случае остается только подать переменный ток, идущий обычно с вторичной обмотки трансформатора на два вывода моста, а с оставшихся двух выводов снимать плюс и минус. Обычно на самой детали бывает обозначено, где какой вывод у моста. Так выглядит импортный диодный мост:


    Фото диодный мост кц405

    Трехфазные выпрямители

    Существуют и трехфазные трансформаторы. Обычным однофазным диодным мостом с такого трансформатора не получится на выходе постоянный ток. Конечно, если нагрузка небольшая можно подключиться к одной фазе и к нулевому проводу трансформатора, но экономичным такое решение не назовешь.


    Для трехфазного тока существуют специальные схемы выпрямителей, две таких схемы приведены на рисунках ниже. Первая, известная как схема Миткевича , имеет низкий коэффициент габаритной мощности трансформатора. Эта схема применяется при небольших мощностях нагрузки.

    Вторая схема, известная как , нашла широкое применение в электротехнике, так как имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению со схемой Миткевича.


    Схема Ларионова может использоваться как «звезда-Ларионов” и «треугольник-Ларионов”. Вид подключения зависит от схемы подключения трансформатора, либо генератора, с выходом которого соединен этот выпрямитель. Автор статьи — AKV .

    Обсудить статью ВЫПРЯМИТЕЛИ

    В осветительной электрической сети, от которой получают питание все бытовые электроприборы, как правило, течёт переменный ток. Редкое исключение составляют небольшие сельские посёлки, где электростанции дают постоянный ток.

    Радиоприемники, магнитофоны, электропроигрыватели и другие устройства работают на электронновакуумных лампах или полупроводниковых приборах, на электроды которых необходимо подавать напряжение постоянного тока. Зарядка аккумуляторов может быть произведена только постоянным током. Ряд производственных процессов на заводах, как например, хромирование, невозможно осуществить, если не имеется постоянного напряжения.

    Почему же наши электростанции дают переменный ток? Ведь электронагревательные приборы и электромоторы так же хорошо будут работать и на постоянном токе? Объясняется это главным образом тем, что переменный ток можно легко трансформировать (преобразовать) в различные напряжения, что нельзя делать с постоянным током. Передачу энергии переменного тока по линии электропередачи можно осуществить со значительно меньшими потерями, чем при постоянном токе, вследствие того, что напряжение в линии в этом случае может составлять десятки и сотни тысяч вольт. В месте потребления напряжение понижается на трансформаторных подстанциях и в наши квартиры и на заводы подается переменное напряжение 127 или 220 в.

    Как же получить постоянное напряжение, необходимое для нормальной работы некоторых приборов?

    Для преобразования переменных напряжений в постоянные служит выпрямитель. Понять, как работает выпрямитель, можно, только ясно представляя, что такое переменный ток. Переменным током называется такой ток, направление и величина которого меняются во времени.

    В осветительной сети, по принятому в нашей стране стандарту, направление тока меняется 50 раз в секунду, или, как говорят, частота промышленного тока равна 50 периодам (герцам). Это означает, что в какой-то период времени ток в сети равен 0, затем ток начинает плавно возрастать, достигает максимального (амплитудного) значения, после чего ток в сети постепенно уменьшается и становится равным нулю. После этого направление тока снова изменяется и ток опять плавно возрастает до максимального значения, а затем вновь уменьшается до нуля. Этот процесс напоминает качели, которые, качаясь около положения равновесия (нулевое значение тока), поднимаются на максимальную высоту (максимальное значение тока), затем опускаются, опять поднимаются и т. д. Такой процесс изменения тока называют периодическим. В нашей электросети такой процесс повторяется пятьдесят раз в секунду, т. е. ток (напряжение) имеет пятьдесят периодов в секунду, изменяя своё значение по синусоидальному закону.

    Графически картина изменения тока в сети представлена на рис. 1. Такой график получается, если на вертикальной оси откладывать значения тока или напряжения, а по горизонтальной оси — отрезки времени, отсчитываемые от какого-то момента, принимаемого за начало отсчёта.

    Задачей выпрямителя является получение постоянного напряжения из переменного; Постоянное напряжение графически можно изобразить так, как это показано на рис. 2. Постоянный ток не меняет ни своего направления, ни своей величины.

    Процесс выпрямления переменного тока (напряжения) заключается в том, что на пути тока в электрической цепи включается элемент — вентиль, который пропускает ток только в одном направлении (одного знака). Схематично электрическая цепь переменного тока с вентилем представлена на рис. 3. Односторонняя проводимость вентиля приводит к тому, что только в положительные полупериоды ток проходит через вентиль, а в отрицательные полупериоды (отмеченные на рис. 1 знаком «-«) тока в цепи нет. Графически ток в такой цепи можно изобразить так, как это показа но на рис. 4. При положительной полуволне сопротивление вентиля мало и ток свободно проходит через него. При отрицательной полуволне ток встречает большое сопротивление, так как в обратном направлении сопротивление вентиля в сотни и даже тысячи раз больше и ток через него не проходит. Таким образом, включив в электрическую цепь переменного тока вентиль, мы уже не получаем в этой цепи переменного тока. Ток в этой цепи будет меняться только по величине и не будет изменять своего направления. Такой ток называют пульсирующим. Использовать его можно, например, для зарядки аккумуляторов. Для питания радиоаппаратуры такой ток не годится. Требуется дальнейшее его сглаживание, с тем чтобы ток превратился из пульсирующего в постоянный. Это достигается применением фильтра.

    В простейшем случае роль фильтра может выполнять конденсатор достаточно большой ёмкости. На рис. 5 показана схема цепи с вентилем и конденсатором С, являющимся фильтром. Сглаживание пульсаций (фильтрация) выпрямленного тока осуществляется вследствие того, что конденсатор заряжается током, проходящим через вентиль, и запасает электрическую энергию. Как только ток через вентиль начнет уменьшаться и напряжение на нагрузке Rн выпрямителя начнет падать, — а это происходит в конце каждого положительного полупериода, — конденсатор отдаёт накопленную им за положительный полупериод энергию. Графически это изображено на рис 6. Как видно из рисунка, ток ещё не стал совсем постоянным и заметны резкие пульсации. Необходим более совершенный фильтр, который на нагрузке обеспечил бы постоянный ток с очень незначительными пульсациями, которые не будут оказывать существенного влияния на работу устройства, питаемого от выпрямителя.

    Существует несколько типов выпрямителей. Наиболее простым из них является однополупериодный, схема которого изображена на рис. 7. В таком выпрямителе используются только положительные полупериоды выпрямленного тока. Частота пульсаций этого тока равна частоте сетевого напряжения и для сглаживания пульсаций выпрямитель, собранный по однополупериодной схеме, требует хорошего фильтра. Такие выпрямители используются для питания аппаратуры, потребляющей незначительный ток, так как при возрастании тока необходимо будет усложнять фильтр выпрямителя.

    Более распространена двухполупериодная схема выпрямления, где (см. рис. 8) используются два вентиля В1 и В2. Ток в нагрузке протекает всё время в одном направлении. Выпрямление напряжения происходит следующим образом. В какой-то момент времени на одном (верхнем, по схеме} выводе вторичной обмотки трансформатора Тр1 будет положительное напряжение по отношению ко второму (нижнему) концу. Ток пойдёт через вентиль В1, и имеющий в прямом направлении маленькое сопротивление, затем через нагрузку на среднюю точку вторичной обмотки трансформатора. На рис. 8 прохождение тока показано сплошной стрелкой. Так будет продолжаться в течение первого положительного полупериода. При изменении направления тока в сети на верхнем конце трансформатора будет уже отрицательное напряжение и ток через вентиль B1 не пойдёт, так как вентиль будет иметь очень большое сопротивление. На нижнем конце вторичной обмотки трансформатора теперь будет положительное напряжение и ток пойдёт уже через вентиль В2, нагрузку и на среднюю точку вторичной обмотки — трансформатор Тр1.

    При таком включении вентилей используются уже оба полупериода выпрямляемого напряжения. Частота пульсаций в таком выпрямителе в два раза больше и поэтому значительно облегчается фильтрация выпрямленного напряжения. По двухполупериодной схеме собраны почти все выпрямители для радиоприёмников, телевизоров и магнитофонов.

    Существует ещё мостовая схема включения выпрямителя. В этом случае выпрямление происходит по двухполупериодной схеме, но трансформатор имеет более простую конструкцию, вторичная обмотка его содержит в два раза меньше витков и не требуется вывода от средней точки. Однако в выпрямителе, собранном по мостовой схеме, необходимо в два раза больше вентилей, чем при двухполупериодной схеме. Схема мостового выпрямителя изображена на рис. 9. Стрелками указано прохождение тока в оба полупериода.

    В качестве вентиля для выпрямления переменного тока могут быть использованы селеновые или купроксные шайбы , кенотроны, газотроны или полупроводниковые диоды.

    Для питания массовой радиоаппаратуры наибольшее распространение получили кенотронные и селеновые выпрямители. За последнее время начинают всё шире использоваться германиевые силовые диоды типа ДГ-Ц21-27.

    Кенотрон представляет собой вакуумную, обычно стеклянную, радиолампу, имеющую два электрода — анод и катод. Двуханодный кенотрон имеет два анода. Вентильное свойство кенотрона проявляется в том, что ток через кенотрон может идти только в одном направлении — от анода к катоду. В обратном направлении — ток не пойдет, так как электроны вылетают только с поверхности нагретого катода и могут двигаться только на анод, если на нём в данный момент имеется положительное напряжение по отношению к катоду.

    Простейшая однополупериодная схема выпрямителя с использованием в качестве вентиля кенотрона изображена на рис. 10. Направление тока I показано стрелкой. Конденсаторы С1 и С2 и дроссель Др1 составляют фильтр для сглаживания пульсаций. Подробно о фильтрах будет рассказано ниже.

    Существует много различных типов кенотронов, каждый из которых рассчитан на определенные условия работы: одни позволяют получить большой выпрямленный ток при относительно низком напряжении, другие, наоборот, работают в выпрямителе, дающем высокое напряжение при ничтожно малом токе.

    При конструировании выпрямителя прежде всего необходимо правильно выбрать тип кенотрона. Для этого нужно знать, какой ток и напряжение потребляет нагрузка, питающаяся от выпрямителя, и в соответствии с этими данными выбирать по справочнику подходящий тип кенотрона. Пусть требуется выбрать кенотрон, который предполагается установить в выпрямитель для питания приёмника. Приёмник имеет четыре лампы, не считая кенотрона.

    Постоянное напряжение, потребное для питания радиоламп приёмника, равно 250 в. Общий ток, потребляемый анодно-экранными цепями всех ламп приемника, составляет около 40 мА.

    Наиболее подходящим для нашего выпрямителя будет кенотрон 6Ц4П, который, по справочным данным, может обеспечить ток до 70 мА при двухполупериодной схеме выпрямления. По напряжению этот кенотрон также вполне подходит, так как для двухполупериодной схемы выпрямления обратное напряжение, возникающее в выпрямителе, не превышает тройного напряжения на нагрузке и равно 250х3 = 750 В, а кенотрон 6Ц4П выдерживает до 1000 В обратного напряжения.

    В селеновом выпрямителе в качестве вентиля используют селеновые шайбы.

    Селеновая шайба представляет собой железный диск или прямоугольную железную пластину, на которой с одной стороны нанесён тонкий слой полупроводника — селена. Сверху слой селена покрыт, для создания контакта, тонким слоем легкоплавкого металла.

    Вентильные свойства селена проявляются в том, что он обладает односторонней проводимостью. Когда на железную пластину подан положительный полюс источника тока, селеновая шайба обладает ничтожно малым сопротивлением, и, наоборот, при смене полярности сопротивление шайбы возрастает в сотни раз.

    Выбор селенового вентиля для выпрямителя производится также по току и напряжению, потребному для нагрузки. Необходимо помнить, что одна селеновая шайба выдерживает напряжение до 20 В, следовательно, если на нагрузке развивается напряжение больше этой величины, то селеновые шайбы нужно соединять последовательно.

    Для нашего примера достаточно в каждое плечо двухполупериодного выпрямителя поставить по 13 шайб, так как напряжение на нагрузке равно 250 В и число шайб получится, если 250 В разделить на 20 В. Получившееся дробное число необходимо округлить до ближайшего целого. Чтобы определить, какого диаметра нужно поставить шайбы, необходимо помнить, что на один квадратный сантиметр поверхности селеновой шайбы допускается ток, равный 30 мА. Следовательно, чтобы определить площадь селеновых шайб для нашего выпрямителя, нужно разделить величину тока, потребляемого приемником, на допустимую плотность тока (величину тока, допустимую на 1 см 2). Площадь шайбы равна 40/30 = 1,33 см. Диаметр шайбы легко определить по известной формуле площади окружности

    Sплощ = 0,25*π*D 2 ,

    откуда диаметр шайбы равен

    D = (4*S/π) 0,5 = (4*1,33/3,14) 0,5 ≈ 1,3 см.

    Можно такого расчёта не производить и диаметр шайбы брать непосредственно из справочника. В случае, если у радиолюбителя имеются шайбы какого-то другого диаметра, то их можно использовать в этом выпрямителе. Если шайбы имеют больший диаметр, чем получился по расчету, их можно установить в качестве вентиля без всяких изменений в схеме выпрямителя, помня только, что допустимое напряжение на каждую шайбу не должно превышать 20 В.

    В случае если диаметр имеющихся шайб меньше, чем получился по расчету, то шайбы можно соединить параллельно с таким расчетом, чтобы общая площадь двух параллельно соединённых шайб была равна или больше получившейся по расчету. При параллельном соединении шайб число их удваивается, так как необходимо соблюдать условие допустимого напряжения на каждую шайбу.

    Расчёт вентиля, в качестве которого используется германиевый диод (рис. 11), производится аналогично. Зная ток нагрузки и напряжение на ней, выбирают по справочнику подходящий тип диода. Может случиться, что имеющиеся германиевые диоды типа ДГ-Ц не подходят по допустимому току или напряжению. Если диоды не подходят по току (ток нагрузки больше допустимого), то необходимо поставить несколько диодов, соединенных параллельно. Если диоды не подходят по напряжению, их соединяют последовательно. Расчёт числа последовательно соединенных диодов сводится к тому, чтобы выбрать такое количество диодов, при котором падение напряжения на каждом из них не превысило допустимого.

    При последовательном соединении диодов типа ДГ-Ц каждый из них следует зашунтировать сопротивлением не менее 100 кОм мощностью до 1 Вт. Шунтировать диоды необходимо для выравнивания падения напряжения на каждом из них. Выпускаемые диоды имеют значительный разброс параметров, и может быть такой случай, когда на одном из них падение напряжения будет в несколько раз больше, чем на другом, что выводит диоды из строя. Этого не произойдет, если каждый диод будет зашунтирован сопротивлением и падение напряжения распределится равномерно между каждым диодом.

    При параллельном соединении полупроводниковых диодов типа ДГ-Ц количество их рассчитывается по несложным формулам. Так, для диодов типа ДГ-Ц21 — 24 число параллельно соединённых диодов будет равно

    Для диодов типа ДГ-Ц25 — 27 число параллельно соединённых диодов

    n = 15,4I0 — 0,54.

    В этих формулах I0 означает выпрямленный ток в амперах. Может случиться так, что число диодов n, рассчитанное по этим формулам, получается дробным. Тогда следует округлить это число до ближайшего большего целого числа. Иногда в расчете получается 0 или отрицательное число. Это означает, что необходимо поставить только один диод и никаких параллельных соединений делать не нужно, так как выбранный диод обеспечит требуемую величину выпрямленного тока.

    Сглаживающий фильтр

    Как указывалось выше, для сглаживания пульсаций после выпрямителя на его выходе включается фильтр. Обычно фильтр состоит из дросселя фильтра Др1 (рис. 12), обмотка которого, выполненная из нескольких тысяч витков тонкой проволоки, располагается на стальном сердечнике. В фильтр входит также два и более конденсаторов фильтра. На месте этих конденсаторов в подавляющем большинстве случаев применяются электролитические конденсаторы, имеющие сравнительно небольшие габариты и большую ёмкость (10…50 мкф}.

    Фильтр значительно ослабляет переменную составляющую выпрямленного напряжения и мало влияет на постоянную составляющую, идущую на питание анодно-экранных цепей приёмника.

    Качество фильтра определяется его коэффициентом фильтрации, который показывает, во сколько раз переменная составляющая на выходе фильтра ослабляется относительно переменной составляющей на его входе.

    Допустимая величина переменной составляющей на выходе фильтра зависит от аппаратуры, которая питается от данного выпрямителя. Для усилителей низкой частоты амплитуда пульсаций анодного напряжения не должна превышать 0,5-1% от напряжения полезного сигнала, измеренного в анодной цепи данного каскада. Для каскадов усиления высокой и промежуточной частоты эта амплитуда не должна превышать 0,05-0,1% (0,1-0,2 В).

    Работа фильтра зависит от произведения индуктивности дросселя на ёмкость конденсатора фильтра на выходе. Ёмкость этого конденсатора обычно берут в пределах 10-40 мкф. Индуктивность дросселя для маломощного выпрямителя обычно не превышает 20-30 Гн.

    При прикидке данных фильтра можно пользоваться следующим правилом: произведение индуктивности катушки дросселя фильтра, выраженное в генри, на ёмкость конденсатора на выходе фильтра, выраженное в микофарадах, должно равняться 200.

    Для улучшения фильтрации можно составлять сглаживающий фильтр из нескольких звеньев. Улучшения фильтрации можно также добиться путём применения настроенного дросселя, для этого параллельно дросселю фильтра подсоединяется конденсатор постоянной ёмкости (на рис. 12 это подключение показано пунктиром).

    Ёмкость конденсатора берётся в пределах 0,05-0,1 мкф и в каждом отдельном случае находится опытным путём.

    Дроссель фильтра можно включить как в «+», так и в «-» выпрямителя, это не скажется на качестве работы фильтра. В некоторых случаях, когда желательно воспользоваться падением напряжения на обмотке дросселя фильтра для подачи отрицательного смещения на управляющие сетки ламп усилителя приёмника, дроссель включают в минусовую цепь выпрямителя.

    При питании малоламповых приемников вместо дросселя фильтра можно включить обмотки (или обмотку) трансформатора низкой частоты.

    Конструктивно дроссель для сглаживающих фильтров аналогичен маломощному силовому трансформатору. Разница заключается в том, что трансформатор имеет несколько обмоток, дроссель только одну. Сердечник дросселя обязательно должен иметь воздушный зазор, который устраняет возможность магнитного насыщения сердечника постоянным током, протекающим по обмотке дросселя.

    Магнитное насыщение уменьшает индуктивность дросселя, что ухудшает работу фильтра.

    Конструктивно дроссель фильтра и силовой трансформатор выпрямителя можно рассчитать, руководствуясь статьей, напечатанной в приложении № 1 для начинающих, «Расчет и изготовление силового трансформатора» (разослано с журналом «Радио» № 5 за 1957 год). Следует только учитывать, что, задаваясь напряжением на выходе выпрямителя, нужно принять во внимание падение напряжения на дросселе фильтра и что в случае применения двухполупериодного кенотронного выпрямителя с конденсаторным фильтром эффективное напряжение и ток повышающей обмотки связаны с напряжением и током на выходе выпрямителя следующими соотношениями: напряжение на вторичной обмотке берётся в 2..2,2 раза больше напряжения на выходе выпрямителя, а ток в обмотке 1..1,2 I0. Токи и напряжения обмоток для накала ламп и кенотрона определяются данными накала кенотрона и ламп, для питания которых предназначен рассчитываемый выпрямитель.

    Вместо дросселя фильтра иногда применяют активное сопротивление, которое для получения хорошей фильтрации должно иметь значительную величину.

    Недостатком такого фильтра является большое падение напряжения на сопротивлении фильтра, поэтому применять такой фильтр можно только в маломощных усилителях. При расчёте выпрямителя с таким фильтром задаются допустимым падением выпрямленного напряжения на сопротивлении, включенном в фильтр, Uпад, после чего величину этого сопротивления R находят по формуле

    где I0 — ток в мА, снимаемый с выпрямителя.

    Очень часто для питания той или иной аппаратуры применяются различные постоянные напряжения. Для того чтобы использовать для этой цели один и тот же выпрямитель, на его вход включают цепочку из нескольких последовательно соединённых постоянных сопротивлений величиной по нескольку тысяч Ом. Эти сопротивления не должны быть очень большими, так как в противном случае напряжение, снимаемое с делителя, будет сильно зависеть от величины нагрузки. Они также не должны быть очень малыми, чтобы не перегружать выпрямитель.


    Однополупериодный выпрямитель или четвертьмост является простейшим выпрямителем и включает в себя один вентиль (диод или тиристор).

    Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

    Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю. Среднее значение переменного тока по отношению к подведенному действующему составит:

    Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом. Важно отметить, что среднеквадратичное (устар. эффективное, действующее) значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя будет в корень из 2 меньше подведенного действующего, а потребляемая нагрузкой мощность в 2 раза меньше (для синусоидальной формы сигнала)

    Отношение среднего значения выпрямленного напряжения Uн ср к действующему значению входного переменного напряжения Uвх д называется коэффициентом выпрямления (Kвып). Для рассматриваемой схемы Kвып=0,45.

    Максимальное обратное напряжение на диоде Uобр max=Uвх max=πUн ср, т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

    Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

    Kп=Uпульс max01Uн ср=π2=1,57.

    27. Двуполупериодный выпрямитель со средней точкой. Диаграммы работы. Принцип действия. Основные параметры.

    На интервале времени под действием напряжения Uвх1 диод VD1 смещен в прямом направлении (диод VD2 при этом смещен в обратном направлении) и поэтому ток в нагрузочном резисторе определяется только напряжением Uвх1. На интервале диод VD1 смещен в обратном направлении, а ток нагрузки протекает через прямосмещенный диод VD2 и определяется напряжением Uвх2. Таким образом, средние значения тока и напряжения на нагрузочном резисторе в случае двухполупериодного выпрямления будут в два раза превышать аналогичные показатели для однополупериодной схемы:

    Uвх max и Iвх max — максимальные амплитудные значения входного напряжения и тока выпрямителя (по одному из напряжений питания),

    Uвх д и Iвх д — действующие значения входного напряжения и тока выпрямителя.

    Отрицательным свойством двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой является то, что во время прохождения тока через один из диодов обратное напряжение на другом (закрытом) диоде в пике достигает удвоенного максимального входного напряжения: Uобр max=2Umax. Этого нельзя забывать при выборе диодов для выпрямителя.

    Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в данной схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций рассчитанный по методике, аналогичной описанной для схемы однофазного однополупериодного выпрямителя (разложение в ряд Фурье и выделение первой составляющей пульсаций) будет равен: Kп=0,67.

    параметры смотреть в предыдущем пункте.

    28. Однофазный мостовой выпрямитель. Диаграммы работы и принцип действия. Основные параметры выпрямителя.

    Диаграммы работы:

    Принцип работы:

    В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка.

    В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде – по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

    где U2 ─ действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

    Параметры:

      Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки Id:

      Максимальное значение тока, протекающего через диод

      Действующее значение переменного тока на входе выпрямителя

    следовательно,

      Мощность первичной и вторичной обмоток вентильного трансформатора

    29. Назначение сглаживающих фильтров. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром. Особенности работы. Внешние характеристики выпрямителей с фильтрами

    Сглаживающий фильтр — устройство, предназначенное для уменьшения переменной составляющей выпрямленного напряжения до величины, при которой обеспечивается нормальная работа питаемой аппаратуры или её каскадов.

    Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром .



    Особенности работы.

    Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя. В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке.

    В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя U вх больше напряжения на нагрузке U н и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через R н, предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

    Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (1/ωC R н). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (U н ≈const ).

    30. Основные параметры стабилизаторов напряжения. Параметрические стабилизаторы.

    Основные параметры стабилизатора: 1. Коэффициент стабилизации , равный отношению приращений входного и выходного напряжений. Коэффициент стабилизации характеризует качество работы стабилизатора.


    2. Выходное сопротивление стабилизатора Rвых = Rдиф Для нахождения Кст и Rвых рассматривается схема замещения стабилизатора для приращений. Нелинейный элемент работает на участке стабилизации, где его сопротивление переменному току Rдиф является параметром стабилизатора.


    Дифференциальное сопротивление Rдиф определяется из уравнения:


    Для схемы замещения получаем коэффициент стабилизации с учетом, что Rн >> Rдиф и Rбал >> Rдиф,:


    Параметрический стабилизатор:


    В приведенной схеме, при изменении входного напряжения или тока нагрузки — напряжение на нагрузке практически не меняется (оно остаётся таким же, как и на стабилитроне), вместо этого изменяется ток через стабилитрон (в случае изменения входного напряжения и ток через балластный резистор тоже). То есть, излишки входного напряжения гасятся балластным резистором, величина падения напряжения на этом резисторе зависит от тока через него, а ток через него зависит в том числе от тока через стабилитрон, и таким образом, получается, что изменение тока через стабилитрон регулирует величину падения напряжения на балластном резисторе.

    Коэффициент стабилизации параметрического стабилизатора напряжения

    Кст = 5 ÷ 30 Для получения повышения стабилизированного напряжения применяют последовательное включение стабилитронов. Параллельное включение стабилитронов не допускается. С целью увеличения коэффициента стабилизации возможно каскадное включение нескольких параметрических стабилизаторов напряжения.

    31. Структурные схемы компенсационных стабилизаторов. Принципиальная схема непрерывного стабилизатора напряжения. Получить выражение для выходного напряжения. Недостатки таких стабилизаторов.

    Компенсационный стабилизатор напряжения, по сути, является устройством, в котором автоматически происходит регулирование выходной величины, то есть он поддерживает напряжение на нагрузке в заданных пределах при изменении входного напряжения и выходного тока. По сравнению с параметрическими компенсационные стабилизаторы отличаются большими выходными токами, меньшими выходными сопротивлениями, большими коэффициентами стабилизации.


    Непрерывный


    Принципиальная схема стабилизатора напряжения непрерывного действия приведена на рис. б . Здесь роль ИЭ выполняет делитель напряжения на резисторах R 1 и R 2 . Балластный резистор R б и стабилитрон VD представляют собой маломощный параметрический стабилизатор, выполняющий роль ИОН. Операционный усилитель (ОУ) DA , включенный по схеме дифференциального усилителя, выполняет роль УС. ТранзисторVT является РЭ стабилизатора.

    Выходное напряжение стабилизатора можно регулировать, меняя соотношение сопротивлений делителя R 1 и R 2 :



    Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис.2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \)

    Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_{н ср}\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_{вх д}\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_{вып}\)). Для рассматриваемой схемы \(K_{вып} = {0,45}\).

    Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi U_{н ср}\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

    Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

    \(U_н = \cfrac{1}{\pi} U_{вх max} + \cfrac{1}{2} U_{вх max} \sin{\left(\omega t \right)} — \cfrac{2}{3 \pi} \cos{\left(2 \omega t \right)} — \)

    \(- \cfrac{2}{15 \pi} U_{вх max} \cos{\left(4 \omega t \right)} — {…} \)

    Коэффициент пульсаций , равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

    \(K_п = \cfrac{U_{пульс max 01}}{U_{н ср}} = \cfrac{\pi}{2} = {1,57}\).

    Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

    Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

    \(I_1 \cdot w_1 = \left(I_2 – I_{н ср} \right) w_2\) ,

    где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

    Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_{н ср} \cfrac{w_2}{w_1}\).

    Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

    В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора . Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

    Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_{тр P} \approx {0,48}\).

    Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

    В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

    Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

    В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

    Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx {const}\)). Примем: \(U_н = U_{вх max} \cos{\beta}\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_{откр}/2\)). Угол \(\beta\) принято называть углом отсечки .

    Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

    Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

    \(I_д = \cfrac{U_{вх} — U_н}{r} \) ,

    где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя ).{\frac{\pi}{2} + \beta} \cfrac{U_{вх max}}{r} \left(\sin{ \left(\varphi \right)} — \cos{\left(\beta \right)} \right) \operatorname{d} \varphi =\)

    \(= \cfrac{U_{вх max}}{\pi r} \left(\sin{\left(\beta \right)} — \beta \cos{\left(\beta \right)} \right) \)

    Поскольку \(U_{вх max} = \cfrac{U_н}{\cos{\left(\beta \right)}} \):

    \(I_{д ср} =\cfrac{U_н}{\pi r} \cdot \cfrac{\sin{\left(\beta \right)} — \beta \cos{\left(\beta \right)}}{\cos{\left(\beta \right)} } = \cfrac{U_н}{\pi r} A \left(\beta \right) \),

    где \(A \left(\beta \right) = \cfrac{\sin{\left(\beta \right)} — \beta \cos{\left(\beta \right)}}{\cos{\left(\beta \right)}} = \operatorname{tg} \left(\beta \right) — \beta \) (3.4.2)

    Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

    \(A \left(\beta \right) = \cfrac{I_{д ср} \pi r}{U_н} \)

    Средний ток через диод \(I_{д ср}\) равен среднему току нагрузки \(I_{н ср}\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_{д ср}\). Таким образом:

    \(A \left(\beta \right) = \cfrac{I_{н} \pi r}{U_н} = \cfrac{\pi r}{R_н} \)

    Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

    Максимальное значение тока диода достигается при \(U_{вх} = U_{вх max}\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

    \(I_{д max} = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left(1 — \cos{\left(\beta \right)} \right) = \cfrac{U_н}{r} \cdot \cfrac{\pi \left(1 — \cos{\left(\beta \right)} \right)}{\cos{\left(\beta \right)}} \)

    \(I_{д max} = \cfrac{I_{д ср} \cdot \pi}{A \left(\beta \right)} \cdot \cfrac{1- \cos{\left(\beta \right)}}{\cos{\left(\beta \right)}}\), где \(F \left(\beta \right) = \cfrac{\pi \cdot \left(1 — \cos{\left(\beta \right)} \right)}{\sin{\left(\beta \right)} — \beta \cos{\left(\beta \right)}}\)

    График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

    Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

    Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

    Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

    Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

    \(С = \cfrac{H(\beta)}{r \cdot K_п}\),

    где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

    Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

    Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

    Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

    Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

    \(U_{вх max} \sin{\left(\omega t \right)} = L \cfrac{\operatorname{d} I_н}{\operatorname{d} t} + I_н R_н \)

    Приняв ток в цепи в начальный момент времени \((t = 0)\) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

    \(I_н(t) = \cfrac{U_{вх max}}{\sqrt{R_н^2 + {\left(\omega L \right)}^2}} \left(\sin{\left(\omega t — \theta \right)} + e^{- \cfrac{R_н t}{L}} \sin{(\theta)} \right) \),

    где \(\theta = \operatorname{arctg} \left(\cfrac{\omega L}{R_н} \right) \)

    Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

    Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_{обр} = U_{вх max}\).

    Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

    Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

    Типы выпрямителей переменного тока Какие бывают выпрямители? Основные характеристики выпрямителей.

    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.

    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.

    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 , применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

    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.

    Ртутный выпрямитель

    Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

    Применение

    Выпрямление электрического тока

    Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении).

    Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

    Сюда относятся выпрямительные установки для:

    • железнодорожной тяги
    • городского электротранспорта
    • электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)
    • питания приводов прокатных станов
    • возбуждения генераторов электростанций

    В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

    Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 — 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

    Блоки питания аппаратуры
    • Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

    Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.

    Сварочные аппараты

    В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах — вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.

    Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения
    • Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

    Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

    • Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали , нанесения металлических покрытий и гальванопластики.
    • Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)
    • Установки очистки и обессоливания воды
    • Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай , троллейбус , электровоз , метро)
    Выпрямители высокочастотных колебаний
    • в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.
    • в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии .

    Детектирование высокочастотного сигнала

    Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль — идеальный электрический ключ.

    Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

    Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

    • Большая величина пульсаций
    • Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
    • Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

    Преимущество: экономия на количестве вентилей.

    Полумост

    На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура — Делона — Гренашера».

    Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединённых дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой».

    Полный мост (Гретца)

    На четырёх диодах, широко известный как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем .

    Средняя ЭДС равна то есть вдвое больше, чем в четвертьмостовом.

    Эквивалентное внутреннее активое сопротивление равно .

    Ток в нагрузке равен

    Мощность в нагрузке равна

    Наибольшее мгновенное значение напряжения на диодах —

    Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180°

    Два четвертьмоста параллельно («двухполупериодный со средней точкой»)

    Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф. . В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца , но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой. Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции .

    Площадь под интегральной кривой равна:

    Средняя ЭДС равна:

    Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора (или расход меди).

    Ток в нагрузке равен

    Мощность в нагрузке равна

    Частота пульсаций равна , где — частота сети.

    Два полных моста параллельно

    Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом.

    Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 90°

    Два полных моста параллельно

    На двух параллельных полных мостах.

    Площадь под интегральной кривой равна:

    Средняя ЭДС равна: то есть в раз больше, чем в однофазном полномостовом.

    В режиме холостого хода и близких к нему ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды моста с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых оба моста работают параллельно на общую нагрузку, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно В режиме короткого замыкания оба моста работают параллельно на нагрузку на всём периоде, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

    Два полных моста последовательно

    На двух последовательных полных мостах.

    Площадь под интегральной кривой равна:

    Средняя ЭДС равна: то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом.

    Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно

    Ток в нагрузке равен

    Мощность в нагрузке равна

    Частота пульсаций равна

    Трёхфазные выпрямители

    Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.

    Площадь под интегральной кривой равна:

    Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)

    Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.

    Три полных моста параллельно (12 диодов)

    Менее известны полномостовые трёхфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А.Н.

    По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А.Н., а выпрямитель Ларионова А.Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».

    Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

    Площадь под интегральной кривой равна:

    Средняя ЭДС равна: , то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

    В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно сопротивлению одного моста При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трёх параллельных мостов В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

    Выпрямитель «три параллельных полных моста» на холостом ходу имеет такую же среднюю ЭДС, как в выпрямителе «треугольник-Ларионов» и такие же сопротивления обмоток, но, так как у него схема с независимыми от соседних фаз диодами, то моменты переключения диодов отличаются от моментов переключения диодов в схеме «треугольник-Ларионов». Нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.

    Частота пульсаций равна , где — частота сети.

    Абсолютная амплитуда пульсаций равна .

    Относительная амплитуда пульсаций равна .

    Три полных моста последовательно (12 диодов)

    Площадь под интегральной кривой равна:

    Средняя ЭДС равна: , то есть вдвое больше, чем в схеме «треугольник-Ларионов».

    Эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трёх последовательно включенных мостов с сопротивлением 3*r каждый, то есть .

    Ток в нагрузке равен

    Мощность в нагрузке равна

    Частота пульсаций равна , где — частота сети.

    Поскольку большинство радиоэлектронных устройств питаются постоянным током, а в нашей сети переменный, то самое время научиться его «выпрямлять». Для преобразования переменного напряжения или тока в постоянный служат выпрямители, о которых мы и поговорим. Самый простой выпрямитель можно выполнить всего на одном диоде:

    На графиках, полученных с помощью осциллографа и представленных на рисунке, хорошо видно, что до диода напряжение было переменным, разнополярным. Диод «обрезал» отрицательные полуволны, и остались одни положительные. Таким образом, мы получили однополярное напряжение, но оно сильно пульсирует, и питать им электронику невозможно. Чтобы сгладить пульсации используют конденсаторы большой емкости:

    Пока проходит положительная полуволна, конденсатор заряжается, во время провала он отдает запасенную энергию и разряжается. Теперь дело обстоит несколько лучше, но не совсем хорошо — чем мощнее нагрузка, тем глубже будут провалы и тем большую емкость нужно включать, чтобы как-то спасти положение. Поэтому такой вид выпрямителя, который называется однополупериодным , используют достаточно редко и только для выпрямления переменного тока достаточно высокой частоты и малых токов нагрузки. В противном случае размеры сглаживающих конденсаторов будут неоправданно большими.

    Для улучшения формы выпрямленного напряжения достаточно добавить в схему еще три диода:

    В этом выпрямителе, который называют двухполупериодным, волны перенаправляются диодами и на выходе получается тоже пульсирующее напряжение, но удвоенной частоты, а пауз между импульсами практически нет. Добавим сюда сглаживающий конденсатор и увидим, что постоянное напряжение действительно похоже на постоянное:

    Преимущество такого типа выпрямителя не только в лучшей форме выпрямленного напряжения, но и в том, что в качестве диодов можно использовать приборы, рассчитанные на вдвое меньший ток, поскольку в каждый момент времени через каждый диод течет только половина тока нагрузки. Такая схема получила настолько широкое распространение, что диоды собирают в мосты прямо на заводе. Такие сборки мы называем диодными или выпрямительными мостами.

    Но двухполупериодная схема может иметь и другой вид, в котором присутствует всего два диода:

    Здесь «минусовым» проводом служит отвод от середины вторичной обмотки трансформатора, а положительные полуволны собираются двумя диодами на «плюсе» благодаря двум одинаковым полуобмоткам. В этой схеме диоды тоже работают с половинным током нагрузки, но оправдана она лишь тогда, когда трансформатор имеет две обмотки, каждая из которых выдает номинальное напряжение и обмотки эти можно включить последовательно.

    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:

    U ср = U max / π = 0,318 U max

    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:

    U ср = 2*U max / π = 0,636 U max

    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.

    Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное (однополярное) применяют выпрямительные устройства. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока.

    Рис. 9. Схема однополупериодного выпрямителя.

    Схема полупроводникового однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 9. В этом выпрямителе полупроводниковый диодVD включен последовательно с нагрузочным резисторомR н и вторичной обмоткой трансформатораT . Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.

    Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток I н в нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряженияU АБ , когда потенциал точкиа положителен по отношению к потенциалу точкиб , диод открыт и через нагрузку протекает ток.

    Во второй полупериод полярность напряжений на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную и потенциал точки а становится отрицательным по отношению к потенциалу точкиб . При такой полярности диод включен в обратном направлении и ток в нагрузке будет равен нулю.

    Рис. 10. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.

    Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых, в отличие от однополупериодных выпрямителей, используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодньгй выпрямитель (рис. 11), состоящий из трансформатора, четырех полупроводниковых диодов VD 1 VD 4 (включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.

    Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.

    В один из полупериодов напряжения сети, когда точка а имеет положительный по отношению к точкеб потенциал, диодыVD2 иVD 3 открыты, а диодыVD 1 иVD4 закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажима вторичной обмотки трансформатора, диодVD2 , нагрузочный резисторR н , диодVD3 и зажимб . В следующий полупериод, когда потенциал точкиа становится отрицательным по отношению к точкеб , открыты диодыVD1 иVD4, а диодыVD2 иVD3 закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точкаб , диодVD4 , нагрузочный резисторR н , диодVD1 и точкаа вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резистореR н имеет одно и то же направление. На рис. 12 представлены временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя.

    Рис. 12. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя.

    Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет ряд преимуществ. В частности, при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузки R н средний выпрямленный ток / н ср и напряжениеU н ср в мостовом выпрямителе почти в два раза больше, чем в однополупериодном.

    Недостатком мостовой схемы выпрямителя является необходимость применения четырех диодов.

    Для того, чтобы избежать пульсирующего характера напряжения U н и токаI н нагрузки, в выпрямительных устройствах применяются различныесглаживающие фильтры . Простейшим из них является ёмкостной фильтр. Для этого параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор.

    Рис. 13. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

    На рис. 13 приведена схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным сглаживающим фильтром, а на рис.14 – диаграммы, иллюстрирующие его работу.

    По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U АБ конденсаторC заряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диодVD пропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжениеU АБ уменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диодVD запирается, а конденсатор начинает разряжаться на резисторR н . Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени разр =R н С . В дальнейшем описанный процесс периодически повторяется.

    Рис. 14. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

    При работе такого выпрямителя существенно уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Однако следует помнить, что в выпрямителе с ёмкостным сглаживающим фильтром наблюдается значительная зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки.

    Схемы выпрямителей

    Добавлено 4 марта 2017 в 15:10

    Сохранить или поделиться

    Теперь мы подошли к наиболее популярному применению диода: выпрямлению. Упрощенно, выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное. Оно включает в себя устройство, которое позволяет протекать электронам только в одном направлении. Как мы уже видели, это именно то, что и делает полупроводниковый диод. Простейшим выпрямителем является однополупериодный выпрямитель. Он пропускает через себя на нагрузку только половину синусоиды сигнала переменного напряжения.

    Схема однополупериодного выпрямителя

    Однополупериодный выпрямитель не удовлетворяет требований большинства источников питания. Содержание гармоник в выходном сигнале выпрямителя слишком велико, и, следовательно, их трудно отфильтровать. Кроме того питающий источник переменного напряжения подает питание на нагрузку во время только одной половины каждого полного периода, а это означает, что половина его возможностей не используется. Тем не менее, однополупериодный выпрямитель является очень простым способом уменьшения мощности, подводимой к активной нагрузке. Переключатели некоторых двухпозиционных ламповых диммеров подают напрямую полное переменное напряжение на лампу накаливания для «полной» яркости или через однополупериодный выпрямитель для уменьшения яркости (рисунок ниже).

    Использование однополупериодного выпрямителя: двухпозиционный ламповый диммер

    В положении переключателя «Тускло» лампа накаливания получает примерно половину мощности, которую она бы получала при работе с полным периодом переменного напряжения. Поскольку питание после однополупериодного выпрямителя пульсирует гораздо быстрее, чем нить накала успевает нагреться и охладиться, лампа не мигает. Вместо этого, нить накала просто работает на меньшей, чем обычно, температуре, обеспечивая менее яркий свет. Эта идея быстроты «пульсирования» питания по сравнению с медленно реагирующей нагрузкой широко используется в мире промышленной электроники для управления электроэнергией, подаваемой на нагрузку. Так как управляющее устройство (в данном случае, диод) в любой момент времени либо полностью проводит, либо полностью не проводит ток, то оно рассеивает мало тепловой энергии, контролируя при этом мощность нагрузки, что делает этот метод управления питанием очень энергоэффективным. Эта схема, возможно, является самым грубым способом подачи пульсирующего питания на нагрузку, но она достаточна в качестве применения, доказывающего правильность идеи.

    Если нам нужно выпрямить питание переменным напряжением, чтобы получить полное использование обоих полупериодов синусоидального сигнала, то необходимо использовать другие схемы выпрямителей. Такие схемы называются двухполупериодными выпрямителями. Один из типов двухполупериодных выпрямителей, называемый выпрямителем со средней точкой, использует трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке и два диода, как показано на рисунке ниже.

    Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой

    Понять работу данной схемы довольно легко, рассмотрев ее в разные половины периода синусоидального сигнала. Рассмотрим первую половину периода, когда полярность напряжения источника положительна (+) наверху и отрицательна внизу. В это время ток проводит только верхний диод, нижний диод блокирует протекание тока, а нагрузка «видит» первую половину синусоиды, положительную наверху и отрицательную внизу. Во время первой половины периода ток протекает только через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора (рисунок ниже).

    Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительной полуволны на входе, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

    В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь другой диод и другая половина вторичной обмотки трансформатора проводят ток, а часть схемы, проводившая ток во время предыдущего полупериода, находится в ожидании. Нагрузка по-прежнему «видит» половину синусоиды, той же полярности, что и раньше: положнительная сверху и отрицательная снизу (рисунок ниже).

    Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Во время отрицательной полуволны на входе ток проводит нижняя половина вторичной обмотки, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

    Одним из недостатков этой схемы двухполупериодного выпрямителя является необходимость трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке. Особенно сильно этот недостаток проявляется, если для схемы имеют значение высокая выходная мощность; размер и стоимость подходящего трансформатора становятся одними из определяющих факторов. Следовательно, схема выпрямителя со средней точкой используется только в приложениях с низким энергопотреблением.

    Полярность на нагрузке двухполупериодного выпрямителя со средней точкой может быть изменена путем изменения направления диодов. Кроме того, перевернутые диоды могут подключены параллельно с существующим выпрямителем с положительным выходом. В результате получится двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, показанный на рисунке ниже. Обратите внимание, что соединение диодов между собой аналогично схеме моста.

    Двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

    Существует еще одна популярная схема двухполупериодного выпрямителя, она построена на базе схемы четырехдиодного моста. По очевыдным причинам эта схема называется двухполупериодным мостовым выпрямителем.

    Двухполупериодный мостовой выпрямитель

    Направления потоков электронов в двухполупериодном мостовом выпрямителе показано на рисунках ниже для положительной и отрицательной полуволн синусоиды переменного напряжения источника. Обратите внимание, что независимо от полярности на входе, ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении. То есть, отрицательная полуволна на источнике соответствует положительной полуволне на нагрузке. Ток протекает через два диода, соединенных последовательно для обеих полярностей. Таким образом, из-за падения напряжения на двух диодах теряется (0.7 x 2 = 1.4В для кремниевых диодов). Это является недостатком по сравнению с двухполупериодным выпрямителем со средней точкой. Этот недостаток является проблемой только для очень низковольтных источников питания.

    Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодовДвухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для отрицательных полупериодов

    Запоминание правильного соединения диодов схемы мостового выпрямителя иногда может вызвать проблемы у новичка. Альтернативное представление этой схемы может облегчить запоминание и понимание. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды нарисованы в горизонтальном положении и указывают в одном направлении (рисунок ниже).

    Альтернативное представление схемы двухполупериодного мостового выпрямителя

    Одним из преимуществ такого представления схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии (рисунок ниже).

    Схема трехфазного мостового выпрямителя

    Линия каждой из фаз подключается между парой диодов: один ведет к положительному (+) выводу нагрузки, а второй – к отрицательному. Многофазные системы с количеством фаз, более трех, так же могут быть легко использованы в схеме мостового выпрямителя. Возьмем, например, схему шестифазного мостового выпрямителя (рисунок ниже).

    Схема шестифазного мостового выпрямителя

    При выпрямлении многофазного переменного напряжения сдвинутые по фазе импульсы накладываются друг на друга создавая выходное постоянное напряжение, которое более «гладкое» (имеет меньше переменных составляющих), чем при выпрямлении однофазного переменного напряжения. Это преимущество является решающим в схемах выпрямителей высокой мощности, где физический размер фильтрующих компонентов будет чрезмерно большим, но при этом необходимо получить постоянное напряжение с низким уровнем шумов. Диаграмма на рисунке ниже показывает двухполупериодное выпрямление трехфазного напряжения.

    Трехфазное переменное напряжение и выходное напряжение трехфазного двухполупериодного выпрямителя

    В любом случае выпрямления (однофазном или многофазном) количество переменного напряжения, смешанного с выходным постоянным напряжением выпрямителя, называется напряжением пульсаций. В большинстве случаев напряжение пульсаций нежелательно, так как целью выпрямления является «чистое» постоянное напряжение. Если уровни мощности не слишком велики, для уменьшения пульсаций в выходном напряжении могут быть использованы схемы фильтрации.

    Иногда метод выпрямления классифицируется путем подсчета количества «импульсов» постоянного напряжения на выходе каждые 360° синусоиды входного напряжения. Однофазная однополупериодная схема выпрямителя тогда будет называться 1-импульсным выпрямителем, поскольку он дает один импульс во время полного периода (360°) сигнала переменного напряжения. Однофазный двухполупериодный выпрямитель (независимо от схемы, со средней точкой или мостовой) будет называться 2-импульсным выпрямителем, поскольку он выдает 2 импульса постоянного напряжения за один период переменного напряжения. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель будет называться 6-импульсным.

    Современное соглашение в электротехнике описывает работу схемы выпрямителя с помощью трехпозиционной записи фаз, путей и количества импульсов. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя в данном зашифрованном обозначении будет следующей 1Ph2W1P (1 фаза, 1 путь, 1 импульс), а это означает, что питающее переменное напряжение однофазно, ток каждой фазы источника переменного напряжения протекает только в одном направлении (пути), и, что в постоянном напряжении создается один импульс каждые 360° входной синусоиды. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой в этой системе записи будет обозначаться, как 1Ph2W2P: 1 фаза, 1 путь или направление протекания тока в каждой половине обмотки, и 2 импульса в выходном напряжении за период. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель будет обозначаться, как 1Ph3W2P: так же, как и схема со средней точкой, за исключением того, что ток может протекать двумя путями через линии переменного напряжения, вместо только одного пути. Трехфазный мостовой выпрямитель, показанный ранее, будет называться выпрямителем 3Ph3W6P.

    Вожможно ли получить количество импульсов больше, чем удвоенное количество фаз в схеме выпрямителя? Ответ на этот вопрос, да: особенно в многофазных цепях. При помощи творческого использования трансформаторов наборы двухполупериодных выпрямителей могут быть соединены параллельно таким образом, что на выходе для трехфазного переменного напряжения может быть получено более шести импульсов постоянного напряжения. Когда схемы соединения обмоток трансформатора не одинаковы, из первичной во вторичную цепь трехфазного трансформатора вводится 30° фазовый сдвиг. Другими словами, трансформатор подключенный по схеме либо Y-Δ, либо Δ-Y будет давать сдвиг фазы на 30°; в то время, как подкючение трансформатора по схеме Y-Y или Δ-Δ такого эффекта не даст. Это явление может быть использовано при наличии одного трансформатора, подключенного по схеме Y-Y к одному мостовому выпрямителю, и другого трансформатора, подключенного по схеме Y-Δ к другому мостовому выпрямителю, а затем параллельном соединению выходов постоянного напряжения обоих выпрямителей (рисунок ниже). Поскольку формы напряжений пульсаций на выходах двух выпрямителей смещены по фазе на 30° относительно друг друга, в результате сложения они дадут меньшие пульсации, чем каждый выпрямитель по отдельности: 12 импульсов каждые 360° вместо шести:

    Схема многофазного выпрямителя: 3 фазы, 2 пути, 12 импульсов (3Ph3W12P)

    Подведем итоги

    • Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
    • Однополупериодный выпрямитель – это схема, которая позволяет только одной половине синусоиды переменного напряжения достичь нагрузки, давая на ней в результате неизменяющуюся полярность. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, значительно «пульсирует».
    • Двухполупериодный выпрямитель – это схема, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одной полярности. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, «пульсирует» не так сильно.
    • Многофазное переменное напряжении при выпрямлении дает более «гладкую» форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.

    Оригинал статьи:

    Теги

    ВыпрямительДиодИсточник питанияОбучениеЭлектроника

    Сохранить или поделиться

    Полуволновой выпрямитель

    — принципиальная схема, теория и применение

    Что такое полуволновой выпрямитель?

    Полупериодный выпрямитель определяется как тип выпрямителя, который пропускает только один полупериод сигнала переменного напряжения, блокируя другой полупериод. Полупериодные выпрямители используются для преобразования переменного напряжения в постоянное, и для их создания требуется только один диод.

    Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменный ток (AC) в постоянный (DC). Это делается с помощью диода или группы диодов.В однополупериодных выпрямителях используется один диод, а в двухполупериодных выпрямителях — несколько диодов.

    При работе полуволнового выпрямителя используется тот факт, что диоды пропускают ток только в одном направлении.

    Теория полуволнового выпрямителя

    Полуполупериодный выпрямитель — это самая простая из имеющихся форм выпрямителя. Мы рассмотрим полную схему однополупериодного выпрямителя позже, но давайте сначала разберемся, что именно делает этот тип выпрямителя.

    Схема ниже иллюстрирует основной принцип полуволнового выпрямителя.Когда стандартный сигнал переменного тока проходит через однополупериодный выпрямитель, остается только половина сигнала переменного тока. Полупериодные выпрямители пропускают только один полупериод (положительный или отрицательный полупериод) переменного напряжения и блокируют другой полупериод на стороне постоянного тока, как показано ниже.

    Для создания однополупериодного выпрямителя требуется только один диод. По сути, это все, что делает однополупериодный выпрямитель.

    Поскольку системы постоянного тока предназначены для протекания тока в одном направлении (и с постоянным напряжением, которое мы опишем позже), пропускание формы сигнала переменного тока с положительными и отрицательными циклами через устройство постоянного тока может иметь разрушительные (и опасные) последствия.Поэтому мы используем полуволновые выпрямители для преобразования входной мощности переменного тока в выходную мощность постоянного тока.

    Но диод — только его часть — полная схема однополупериодного выпрямителя состоит из 3 основных частей:

    1. Трансформатор
    2. Резистивная нагрузка
    3. Диод

    Схема полуволнового выпрямителя выглядит следующим образом :

    Теперь мы рассмотрим процесс преобразования однополупериодного выпрямителя переменного напряжения в выходное напряжение постоянного тока.

    Сначала высокое напряжение переменного тока подается на первичную обмотку понижающего трансформатора, и мы получаем низкое напряжение на вторичной обмотке, которое будет подаваться на диод.

    Во время положительного полупериода переменного напряжения диод будет смещен в прямом направлении, и ток протекает через диод. Во время отрицательного полупериода переменного напряжения диод будет смещен в обратном направлении, и ток будет заблокирован. Форма окончательного выходного напряжения на вторичной стороне (постоянного тока) показана на рисунке 3 выше.

    На первый взгляд это может сбить с толку, так что давайте подробнее рассмотрим теорию этого явления.

    Мы сосредоточимся на вторичной стороне цепи.Если мы заменим вторичные обмотки трансформатора на источник напряжения, мы можем упростить принципиальную схему однополупериодного выпрямителя как:

    Теперь у нас нет трансформаторной части цепи, которая нас отвлекает.

    Для положительного полупериода напряжения источника переменного тока эквивалентная схема фактически принимает вид:

    Это потому, что диод смещен в прямом направлении и, следовательно, пропускает ток. Итак, у нас замкнутая схема.

    Но для отрицательного полупериода напряжения источника переменного тока эквивалентная схема становится:

    Поскольку диод теперь находится в режиме обратного смещения, ток не может проходить через него.Таким образом, теперь у нас есть разомкнутая цепь. Поскольку в это время ток не может протекать через нагрузку, выходное напряжение равно нулю.

    Все это происходит очень быстро, поскольку форма волны переменного тока будет колебаться между положительным и отрицательным значениями много раз в секунду (в зависимости от частоты).

    Вот как выглядит форма волны полуволнового выпрямителя на входной стороне (V в ) и как она выглядит на выходной стороне (V на выходе ) после выпрямления (т. Е.преобразование из переменного тока в постоянный):

    На приведенном выше графике фактически показан выпрямитель с положительной полуволной. Это полуволновой выпрямитель, который пропускает только положительные полупериоды через диод и блокирует отрицательные полупериоды.

    Форма волны напряжения до и после выпрямителя положительной полуволны показана на рисунке 4 ниже.

    И наоборот, выпрямитель с отрицательной полуволной пропускает только отрицательные полупериоды через диод и блокирует положительный полупериод. Единственная разница между положительным и отрицательным полуволновым выпрямителем — это направление диода.

    Как вы можете видеть на рисунке 5 ниже, диод теперь находится в противоположном направлении. Следовательно, диод теперь будет смещен в прямом направлении только тогда, когда форма волны переменного тока находится в отрицательном полупериоде.

    Конденсаторный фильтр полуволнового выпрямителя

    Форма выходного сигнала, полученная нами в результате теории выше, представляет собой пульсирующую форму волны постоянного тока. Это то, что получается при использовании полуволнового выпрямителя без фильтра.

    Фильтры — это компоненты, используемые для преобразования (сглаживания) пульсирующих сигналов постоянного тока в постоянные формы сигналов постоянного тока.Они достигают этого, подавляя пульсации постоянного тока в форме волны.

    Хотя однополупериодные выпрямители без фильтров теоретически возможны, их нельзя использовать для каких-либо практических приложений. Поскольку оборудование постоянного тока требует постоянной формы волны, нам необходимо «сгладить» эту пульсирующую форму волны, чтобы ее можно было использовать в реальном мире.

    Вот почему на самом деле мы используем полуволновые выпрямители с фильтром. В качестве фильтра можно использовать конденсатор или катушку индуктивности, но чаще всего используется полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром.

    На принципиальной схеме ниже показано, как можно использовать емкостной фильтр для сглаживания пульсирующего сигнала постоянного тока в постоянный сигнал постоянного тока.

    Формула полуволнового выпрямителя

    Теперь мы выведем различные формулы для полуволнового выпрямителя на основе предыдущей теории и приведенных выше графиков.

    Коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя

    «Пульсация» — это нежелательная составляющая переменного тока, остающаяся при преобразовании формы волны переменного напряжения в форму волны постоянного тока. Несмотря на то, что мы изо всех сил стараемся удалить все компоненты переменного тока, на выходной стороне все еще остается небольшое количество, которое пульсирует форму волны постоянного тока.Этот нежелательный компонент переменного тока называется «пульсацией».

    Чтобы количественно оценить, насколько хорошо однополупериодный выпрямитель может преобразовывать переменное напряжение в постоянное, мы используем так называемый коэффициент пульсаций (обозначаемый γ или r). Коэффициент пульсаций — это соотношение между среднеквадратичным значением переменного напряжения (на входе) и постоянного напряжения (на выходе) выпрямителя.

    Формула для коэффициента пульсаций:

    , которая также может быть преобразована в равную:

    Коэффициент пульсаций полуволнового выпрямителя равен 1.21 (т.е. γ = 1,21).

    Обратите внимание, что для создания хорошего выпрямителя мы хотим, чтобы коэффициент пульсаций был как можно ниже. Вот почему мы используем конденсаторы и катушки индуктивности в качестве фильтров, чтобы уменьшить пульсации в цепи.

    КПД полуволнового выпрямителя

    КПД выпрямителя (η) — это соотношение между выходной мощностью постоянного тока и входной мощностью переменного тока. Формула КПД равна:

    КПД полуволнового выпрямителя равен 40,6% (т.е. η max = 40.6%)

    Среднеквадратичное значение полуволнового выпрямителя

    Чтобы получить среднеквадратичное значение полуволнового выпрямителя, нам необходимо рассчитать ток через нагрузку. Если мгновенный ток нагрузки равен i L = I m sinωt, то среднее значение тока нагрузки (I DC ) равно:

    Где I m равно пиковому мгновенному току через нагрузка (у меня макс ). Следовательно, выходной постоянный ток (I DC ), полученный через нагрузку, равен:

    Для однополупериодного выпрямителя среднеквадратичный ток нагрузки (I RMS ) равен среднему току (I DC ), умноженному на π / 2.Следовательно, среднеквадратичное значение тока нагрузки (I rms ) для полуволнового выпрямителя составляет:

    Где I m = I max , что равно пиковому мгновенному току в нагрузке.

    Пиковое обратное напряжение полуволнового выпрямителя

    Пиковое обратное напряжение (PIV) — это максимальное напряжение, которое диод может выдержать в условиях обратного смещения. Если приложить напряжение больше PIV, диод выйдет из строя.

    Форм-фактор полуволнового выпрямителя

    Форм-фактор (F.F) — это соотношение между среднеквадратичным значением и средним значением, как показано в приведенной ниже формуле:

    Форм-фактор полуволнового выпрямителя равен 1,57 (т. Е. F.F = 1,57).

    Выходное напряжение постоянного тока

    Выходное напряжение ( В постоянного тока, ) на нагрузочном резисторе обозначается следующим образом:

    Применение полуволнового выпрямителя

    Полуполупериодные выпрямители не так часто используются, как двухполупериодные выпрямители. Несмотря на это, они по-прежнему используются в некоторых случаях:

    • Для приложений выпрямления
    • Для приложений демодуляции сигналов
    • Для приложений пиковых значений сигнала

    Преимущества полуволнового выпрямителя

    Основное преимущество полуволновых выпрямителей заключается в их простоте.Поскольку для них не требуется столько компонентов, их проще и дешевле установить и построить.

    Таким образом, основными преимуществами однополупериодных выпрямителей являются:

    • Простота (меньшее количество компонентов)
    • Более низкая начальная стоимость (так как в них меньше оборудования. Хотя со временем стоимость выше из-за увеличения мощности) потерь)

    Недостатки полуволнового выпрямителя

    Недостатки полуволнового выпрямителя:

    • Они допускают только полупериод на синусоиду, а другой полупериод теряется.Это приводит к потере мощности.
    • Они выдают низкое выходное напряжение.
    • Получаемый нами выходной ток не является чисто постоянным, и он все еще содержит много пульсаций (т.е. имеет высокий коэффициент пульсаций)

    Трехфазный полуволновой выпрямитель

    Все вышеприведенные теории относятся к одной фазе однополупериодный выпрямитель. Хотя принцип трехфазного полуволнового выпрямителя одинаков, характеристики разные. Форма волны, коэффициент пульсации, КПД и выходные значения RMS не совпадают.

    Трехфазный однополупериодный выпрямитель используется для преобразования трехфазного переменного тока в постоянный. Здесь переключатели являются диодами, а значит, это неуправляемые переключатели. То есть невозможно контролировать время включения и выключения этих переключателей.

    Трехфазный полуволновой диодный выпрямитель обычно конструируется с трехфазным источником питания, подключенным к трехфазному трансформатору, где вторичная обмотка трансформатора всегда соединяется звездой.Это связано с тем, что нейтральная точка требуется для подключения нагрузки обратно к вторичным обмоткам трансформатора, обеспечивая обратный путь для потока энергии.

    Типичная конфигурация трехфазного полуволнового выпрямителя, питающего чисто резистивную нагрузку, показана ниже. Здесь каждая фаза трансформатора рассматривается как отдельный источник переменного тока. Моделирование и измерение напряжений показано на схеме ниже. Здесь мы подключили индивидуальный вольтметр к каждому источнику, а также к нагрузке.

    Трехфазные напряжения показаны ниже.

    Напряжение на резистивной нагрузке показано ниже. Напряжение показано черным цветом.

    Итак, мы можем видеть из приведенного выше рисунка, что диод D1 проводит, когда фаза R имеет значение напряжения, которое выше, чем значение напряжения двух других фаз, и это состояние начинается, когда фаза R находится в 30 o и повторяется после каждого полного цикла. Другими словами, следующий раз, когда диод DI начинает проводить, будет при 390 o .Диод D2 принимает на себя проводимость от D1, который перестает проводить под углом 150 o , потому что в этот момент значение напряжения в фазе B становится выше, чем напряжения в двух других фазах. Таким образом, каждый диод проводит под углом 150 o — 30 o = 120 o .

    Здесь форма результирующего сигнала напряжения постоянного тока не является чисто постоянным, поскольку она не плоская, а скорее содержит пульсации. А частота пульсации 3 × 50 = 150 Гц.

    Среднее значение выходного напряжения на резистивной нагрузке равно

    Где

    Действующее значение выходного напряжения равно

    Напряжение пульсаций равно,

    А коэффициент пульсаций напряжения равен ,

    Приведенное выше уравнение показывает, что пульсации напряжения значительны.Это нежелательно, так как приводит к ненужной потере мощности.

    Выходная мощность постоянного тока,

    Входная мощность переменного тока,

    КПД,

    Несмотря на то, что КПД 3-фазного полуволнового выпрямителя кажется высоким, он все же ниже КПД, обеспечиваемого 3-фазным полноволновым диодным выпрямителем . Хотя трехфазные полуволновые выпрямители дешевле, эта экономия незначительна по сравнению с деньгами, потраченными на их более высокие потери мощности. Таким образом, трехфазные однополупериодные выпрямители обычно не используются в промышленности.

    Полуволновой выпрямитель — инженеры в последнюю минуту

    Большинству электронных систем, таких как телевизоры, аудиосистемы и компьютеры, для правильной работы требуется постоянное напряжение. Поскольку напряжение в сети переменное, нам необходимо преобразовать его в относительно постоянное выходное напряжение постоянного тока. Цепи, которые преобразуют переменное напряжение (AC) в постоянное (DC), называются выпрямителями .

    Как известно, диод проводит ток только в одном направлении от анода к его катоду.Эта особенность делает их идеальными для исправления.

    Диоды соединяются вместе, образуя различные типы выпрямительных схем, такие как «полуволновые», «двухполупериодные» или «мостовые» выпрямители.

    Самым простым из всех выпрямителей является однополупериодный выпрямитель .

    Полупериодный выпрямитель

    На следующем рисунке показана схема полуволнового выпрямителя.

    Когда на диод подается переменное напряжение, положительный полупериод напряжения источника смещает диод в прямом направлении.В этом случае диод будет выглядеть как замкнутый переключатель , а положительный полупериод напряжения источника появится на нагрузочном резисторе.

    Во время отрицательного полупериода диод имеет обратное смещение. В этом случае диод будет выглядеть как разомкнутый переключатель , и на нагрузочном резисторе не будет напряжения.

    В однополупериодном выпрямителе диод проводит в течение положительных полупериодов, а не отрицательных полупериодов. Из-за этого однополупериодный выпрямитель отсекает отрицательные полупериоды.Такой сигнал называется полуволновым сигналом .

    Если диод перевернут, он станет смещенным в прямом направлении при отрицательном входном напряжении. В результате выходные импульсы будут отрицательными.

    Это полуволновое напряжение создает ток нагрузки, который течет только в одном направлении, делая схему однонаправленной.

    Значение постоянного тока полуволнового сигнала

    Значение постоянного тока полуволнового сигнала такое же, как среднее значение.

    Среднее значение сигнала за один цикл вычисляется по следующей формуле:

    Это уравнение говорит нам, что значение постоянного тока полуволнового сигнала составляет около 31.8% от пикового значения. Например, если пиковое напряжение полуволнового сигнала составляет 10 В, напряжение постоянного тока будет 3,18 В

    Когда вы измеряете полуволновой сигнал с помощью вольтметра постоянного тока, показание будет равно среднему значению постоянного тока.

    A Приближение второго порядка

    В действительности мы не можем получить идеальное полуволны напряжения на нагрузочном резисторе.

    Из-за барьерного потенциала диод не включается, пока напряжение источника не достигнет примерно 0,7 В . Итак, выходное напряжение равно 0.На 7 В ниже пикового напряжения источника.

    Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 10 В, напряжение нагрузки будет иметь пиковое значение только 9,3 В.

    Следовательно, более точная формула для расчета значения постоянного тока полуволнового сигнала:

    Выходная частота

    Изменение выпрямленного выходного сигнала во время положительного и отрицательного полупериодов дает форму волны с большим количеством Пульсация (колеблющаяся часть).

    Результирующая пульсация имеет ту же частоту, что и входной переменный ток.

    Следовательно, мы можем написать:

    Фильтрация выхода выпрямителя

    Выход, который мы получаем от полуволнового выпрямителя, представляет собой пульсирующее напряжение постоянного тока, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

    Нам не нужно такое постоянное напряжение. Что нам нужно, так это стабильное и постоянное напряжение постоянного тока, без каких-либо колебаний или пульсаций напряжения, которые мы получаем от батареи.

    Чтобы получить такое напряжение, нам нужно отфильтровать полуволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор , через нагрузочный резистор, как показано ниже.

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

    После того, как входное напряжение достигает пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение становится меньше Vp, напряжение на конденсаторе превышает входное напряжение, в результате чего диод отключается.

    Когда диод выключен, конденсатор разряжается через нагрузочный резистор и обеспечивает ток нагрузки, пока не будет достигнут следующий пик.

    Когда наступает следующий пик, диод ненадолго проводит ток и заряжает конденсатор до максимального значения.

    Ограничения

    Если нагрузочный резистор мал для данного номинала конденсатора, через нагрузку будет протекать большой ток, который быстрее разряжает конденсатор (из-за постоянной времени RC) и приводит к увеличению пульсаций. Пока постоянная времени RC намного больше периода, конденсатор остается почти полностью заряженным, и мы получаем идеальное выходное напряжение постоянного тока.Чтобы иметь большую постоянную времени RC, нам нужен конденсатор большей емкости . Это непрактично, поскольку существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру конденсатора.

    Также нет выхода во время отрицательного полупериода, поэтому половина мощности тратится впустую , что приводит к более низкой выходной амплитуде.

    Однополупериодные выпрямители из-за их основных недостатков используются редко. Было бы более практично использовать двухполупериодный выпрямитель, как описано в следующем руководстве.

    NEXT

    Полноволновой выпрямитель

    Схема работы и его характеристики

    В самом периоде 1880-х годов началась идентификация и уникальность выпрямителей. Развитие выпрямителей привело к появлению различных подходов в области силовой электроники. Первоначальный диод, который использовался в выпрямителе, был разработан в 1883 году. С развитием вакуумных диодов, впервые появившихся в начале 1900-х годов, возникли ограничения на выпрямители.В то время как с модификациями ртутных дуговых трубок использование выпрямителей было расширено до различных мегаваттных диапазонов. И один тип выпрямителя — это полупериодный выпрямитель.

    Усовершенствование вакуумных диодов показало эволюцию ртутных дуговых трубок, и эти ртутные дуговые трубки были названы выпрямительными трубками. С развитием выпрямителей были впервые применены многие другие материалы. Итак, это краткое объяснение того, как развивались выпрямители и как они развивались. Давайте иметь четкое и подробное объяснение того, что такое полуволновой выпрямитель, его схема, принцип работы и характеристики.

    Что такое полуволновой выпрямитель?

    Выпрямитель — это электронное устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное. Другими словами, он преобразует переменный ток в постоянный. Выпрямитель используется практически во всех электронных устройствах. В основном он используется для преобразования сетевого напряжения в постоянное напряжение в блоке питания. При питании от постоянного тока работают электронные устройства. По периоду проводимости выпрямители делятся на две категории: полуволновые выпрямители и полноволновые выпрямители

    .

    Строительство

    По сравнению с двухполупериодным выпрямителем, HWR является самым простым выпрямителем в конструкции.Только с одним диодом можно построить устройство.

    HWR Construction

    Однополупериодный выпрямитель состоит из следующих компонентов:

    • Источник переменного тока
    • Резистор в секции нагрузки
    • А диод
    • Понижающий трансформатор

    Источник переменного тока

    Этот источник тока подает переменный ток на всю цепь. Этот переменный ток обычно представляется как синусоидальный сигнал.

    Понижающий трансформатор

    Для увеличения или уменьшения переменного напряжения обычно используется трансформатор. Поскольку здесь используется понижающий трансформатор, он снижает напряжение переменного тока, а когда используется повышающий трансформатор, он увеличивает напряжение переменного тока с минимального уровня до высокого уровня. В HWR используется в основном понижающий трансформатор, поскольку необходимое напряжение для диода очень минимально. Когда трансформатор не используется, большое количество переменного напряжения вызовет повреждение диода.В некоторых случаях также можно использовать повышающий трансформатор.

    В понижающем устройстве вторичная обмотка имеет минимальное количество витков, чем первичная обмотка. Из-за этого понижающий трансформатор снижает уровень напряжения от первичной до вторичной обмотки.

    Диод

    Использование диода в однополупериодном выпрямителе позволяет току течь только в одном направлении, в то время как он останавливает ток в другом.

    Резистор

    Это устройство, которое блокирует прохождение электрического тока только до определенного уровня.

    Это конструкция однополупериодного выпрямителя серии .

    Работа полуволнового выпрямителя

    Во время положительного полупериода диод находится в состоянии прямого смещения и проводит ток до RL (сопротивление нагрузки). На нагрузке возникает напряжение, такое же, как входной сигнал переменного тока положительного полупериода.

    В качестве альтернативы, во время отрицательного полупериода диод находится в состоянии обратного смещения, и ток через диод не протекает.На нагрузке появляется только входное напряжение переменного тока, и это общий результат, который возможен в течение положительного полупериода. Выходное напряжение пульсирует постоянным напряжением.

    Выпрямительные схемы

    Однофазные цепи или многофазные цепи входят в состав выпрямительных цепей. Для бытовых применений используются однофазные выпрямительные схемы малой мощности, а для промышленных применений HVDC требуется трехфазное выпрямление. Наиболее важным применением диодов с PN-переходом является выпрямление, и это процесс преобразования переменного тока в постоянный.

    Полуволновое выпрямление

    В однофазном однополупериодном выпрямителе течет либо отрицательная, либо положительная половина переменного напряжения, а другая половина переменного напряжения блокируется. Следовательно, выход принимает только половину волны переменного тока. Один диод требуется для однофазного полуволнового выпрямления и три диода для трехфазного питания. Полупериодный выпрямитель создает большее количество пульсаций, чем двухполупериодный выпрямитель, и для устранения гармоник он требует гораздо большей фильтрации.

    Однофазный полуволновой выпрямитель

    Для синусоидального входного напряжения выходное постоянное напряжение холостого хода для идеального полуволнового выпрямителя составляет

    .

    Vrms = Vpeak / 2

    Vdc = Vpeak / ᴨ

    Где

    • Vdc, Vav — выходное напряжение постоянного тока или среднее выходное напряжение
    • Vpeak — пиковое значение входного фазного напряжения
    • Vrms — выходное напряжение среднеквадратичного значения

    Работа полуволнового выпрямителя

    PN-переходный диод работает только в состоянии прямого смещения.Полупериодный выпрямитель использует тот же принцип, что и диод с PN переходом, и, таким образом, преобразует переменный ток в постоянный. В схеме однополупериодного выпрямителя сопротивление нагрузки включено последовательно с диодом с PN переходом. Переменный ток — это вход однополупериодного выпрямителя. Понижающий трансформатор принимает входное напряжение, а выходной сигнал трансформатора передается на нагрузочный резистор и диод.

    Работа HWR объясняется в двух фазах:

    • Положительный полуволновой процесс
    • Отрицательный полуволновой процесс
    Положительная полуволна

    Если входное напряжение переменного тока составляет 60 Гц, понижающий трансформатор снижает его до минимального напряжения.Таким образом, на вторичной обмотке трансформатора создается минимальное напряжение. Это напряжение на вторичной обмотке называется вторичным напряжением (Vs). Минимальное напряжение подается как входное напряжение на диод.

    Когда входное напряжение достигает диода, во время положительного полупериода диод переходит в состояние прямого смещения и пропускает электрический ток, тогда как во время отрицательного полупериода диод переходит в отрицательное смещение. состояние и препятствует прохождению электрического тока.Положительная сторона входного сигнала, который подается на диод, совпадает с прямым напряжением постоянного тока, которое подается на диод P-N. Таким же образом, отрицательная сторона входного сигнала, который подается на диод, совпадает с обратным напряжением постоянного тока, которое подается на диод P-N

    .

    Итак, было известно, что диод проводит ток в состоянии прямого смещения и препятствует прохождению тока в состоянии обратного смещения. Таким же образом в цепи переменного тока диод пропускает ток в течение цикла + ve и блокирует ток во время цикла -ve.Переходя к + ve HWR, он не будет полностью блокировать полупериоды -ve, он допускает несколько сегментов полупериодов -ve или допускает минимальный отрицательный ток. Это генерация тока из-за неосновных носителей заряда, находящихся в диоде.

    Генерация тока через эти неосновные носители заряда очень минимальна, поэтому им можно пренебречь. Эту минимальную часть полупериодов -ve невозможно наблюдать в секции нагрузки. В практических диодах считается, что отрицательный ток равен «0».

    Резистор в секции нагрузки использует постоянный ток, который вырабатывается диодом. Таким образом, резистор называется резистором электрической нагрузки, где напряжение / ток постоянного тока рассчитываются на этом резисторе (R L ). Электрическая мощность считается электрическим коэффициентом схемы, в которой используется электрический ток. В HWR резистор использует ток, производимый диодом. Из-за этого резистор называют нагрузочным резистором. R L в HWR используется для ограничения или ограничения дополнительного постоянного тока, генерируемого диодом.

    Таким образом, был сделан вывод, что выходной сигнал в полуволновом выпрямителе представляет собой непрерывный + ve полупериод, который имеет синусоидальную форму.

    Отрицательная полуволна

    Работа и конструкция полуволнового выпрямителя в отрицательном направлении почти идентична положительному полуволновому выпрямителю. Единственный сценарий, который здесь будет изменен, — это направление диода.

    Если входное напряжение переменного тока составляет 60 Гц, понижающий трансформатор снижает его до минимального напряжения.Таким образом, на вторичной обмотке трансформатора создается минимальное напряжение. Это напряжение на вторичной обмотке называется вторичным напряжением (Vs). Минимальное напряжение подается как входное напряжение на диод.

    Когда входное напряжение достигает диода, во время отрицательного полупериода, диод переходит в состояние прямого смещения и пропускает электрический ток, тогда как во время положительного полупериода диод переходит в отрицательное смещение. состояние и препятствует прохождению электрического тока.Отрицательная сторона входного сигнала, который подается на диод, совпадает с прямым напряжением постоянного тока, которое подается на диод P-N. Таким же образом, положительная сторона входного сигнала, который подается на диод, совпадает с обратным напряжением постоянного тока, которое подается на диод P-N

    .

    Итак, было известно, что диод проводит ток в состоянии обратного смещения и препятствует прохождению тока в состоянии прямого смещения. Таким же образом в цепи переменного тока диод пропускает ток в течение цикла -ve и блокирует ток во время цикла + ve.Переходя к -ve HWR, он не будет полностью препятствовать положительным полупериодам, он допускает несколько сегментов положительных полупериодов или допускает минимальный положительный ток. Это генерация тока из-за неосновных носителей заряда, находящихся в диоде.

    Генерация тока через эти неосновные носители заряда очень минимальна, поэтому им можно пренебречь. Эту минимальную часть положительных полупериодов невозможно наблюдать в секции нагрузки. В практических диодах считается, что положительный ток равен «0».

    Резистор в секции нагрузки использует постоянный ток, который вырабатывается диодом. Таким образом, резистор называется резистором электрической нагрузки, где напряжение / ток постоянного тока рассчитываются на этом резисторе (R L ). Электрическая мощность считается электрическим коэффициентом схемы, в которой используется электрический ток. В HWR резистор использует ток, производимый диодом. Из-за этого резистор называют нагрузочным резистором. R L в HWR используется для ограничения или ограничения дополнительного постоянного тока, генерируемого диодом.

    В идеальном диоде полупериоды + ve и -ve на выходе кажутся аналогичными полупериодам + ve и -ve Но в практических сценариях полупериоды + ve и -ve несколько отличаются от входных. циклов, и это ничтожно мало.

    Таким образом, был сделан вывод, что выходной сигнал в полуволновом выпрямителе представляет собой непрерывные полупериоды, которые имеют синусоидальную форму. Таким образом, выходной сигнал полуволнового выпрямителя представляет собой непрерывные синусоидальные сигналы с положительной и отрицательной полярностью, но не чистый сигнал постоянного тока и в пульсирующей форме.

    Работа полуволнового выпрямителя

    Это пульсирующее значение постоянного тока изменяется в течение короткого периода времени.

    Работа полуволнового выпрямителя

    Во время положительного полупериода, когда вторичная обмотка верхнего конца положительна относительно нижнего конца, диод находится в состоянии прямого смещения и проводит ток. Во время положительных полупериодов входное напряжение прикладывается непосредственно к сопротивлению нагрузки, когда прямое сопротивление диода предполагается равным нулю.Формы выходного напряжения и выходного тока такие же, как у входного переменного напряжения.

    Во время отрицательного полупериода, когда вторичная обмотка нижнего конца положительна относительно верхнего конца, диод находится в состоянии обратного смещения и не проводит ток. Во время отрицательного полупериода напряжение и ток на нагрузке остаются нулевыми. Величина обратного тока очень мала и им пренебрегают. Таким образом, в течение отрицательного полупериода мощность не передается.

    Серия положительных полупериодов — это выходное напряжение, возникающее на сопротивлении нагрузки. Выходной сигнал представляет собой пульсирующую волну постоянного тока, и для создания плавных выходных волновых фильтров используются фильтры, которые должны проходить через нагрузку. Если входная волна имеет полупериод, то он известен как полуволновой выпрямитель.

    Трехфазные однополупериодные схемы выпрямителя

    Трехфазный однополупериодный неуправляемый выпрямитель требует трех диодов, каждый из которых подключен к одной фазе. Схема трехфазного выпрямителя страдает от высокого уровня гармонических искажений как на постоянном, так и на переменном токе.Выходное напряжение на стороне постоянного тока выдает три различных импульса за цикл.

    Трехфазный HWR в основном используется для преобразования трехфазной мощности переменного тока в трехфазную мощность постоянного тока. При этом вместо диодов используются переключаемые, которые называются неуправляемыми переключателями. Здесь неуправляемые переключатели соответствуют тому, что не существует подхода к регулированию времени включения и выключения переключателей. Это устройство построено с использованием трехфазного источника питания, подключенного к трехфазному трансформатору, причем вторичная обмотка трансформатора всегда соединена звездой.

    Здесь используется только соединение звездой по той причине, что нейтральная точка необходима для повторного подключения нагрузки ко вторичной обмотке трансформатора, обеспечивая тем самым обратное направление для потока мощности.

    Общая конструкция трехфазного HWR, обеспечивающего исключительно резистивную нагрузку, показана на рисунке ниже. Конструктивно каждая фаза трансформатора обозначена как отдельный источник переменного тока.

    Коэффициент полезного действия трехфазного трансформатора составляет почти 96.8%. Хотя эффективность трехфазного HWR больше, чем у однофазного HWR, она меньше, чем эффективность трехфазного двухполупериодного выпрямителя.

    Характеристики трехфазного однополупериодного выпрямителя HWR

    Характеристики однополупериодного выпрямителя по параметрам

    PIV (пиковое обратное напряжение)

    В условиях обратного смещения диод должен выдерживать максимальное напряжение. Во время отрицательного полупериода ток через нагрузку не протекает.Таким образом, полное напряжение появляется на диоде, потому что нет падения напряжения через сопротивление нагрузки.

    PIV однополупериодного выпрямителя = V SMAX

    Это PIV однополупериодного выпрямителя .

    Средние и пиковые токи в диоде

    Предположим, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора синусоидально, а его пиковое значение равно V SMAX . Мгновенное напряжение, которое подается на однополупериодный выпрямитель, составляет

    .

    Vs = V SMAX Sin wt

    Ток, протекающий через сопротивление нагрузки, равен

    .

    I MAX = V SMAX / (R F + R L )

    Постановление

    Регулировка — это разница между напряжением холостого хода и напряжением полной нагрузки по отношению к напряжению полной нагрузки, а регулировка напряжения в процентах задается как

    .

    % Регулировка = {(Vno-load — Vfull-load) / Vfull-load} * 100

    КПД

    Отношение входного переменного тока к выходному постоянному току известно как КПД (?).

    ? = Pdc / Pac

    Мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку, составляет

    Pdc = I 2 dc R L = (I MAX / ᴨ) 2 R L

    Входная мощность переменного тока к трансформатору,

    Pac = рассеиваемая мощность в сопротивлении нагрузки + рассеиваемая мощность на переходном диоде

    = I 2 rms R F + I 2 rms R L = {I 2 MAX /4} [R F + R L ]

    ? = Pdc / Pac = 0.406 / {1 + R F / R L }

    КПД полуволнового выпрямителя без учета R F составляет 40,6%.

    Коэффициент пульсации (γ)

    Содержание пульсаций определяется как количество переменного тока, присутствующего в выходном постоянном токе. Если коэффициент пульсаций меньше, производительность выпрямителя будет больше. Значение коэффициента пульсаций для полуволнового выпрямителя составляет 1,21.

    Мощность постоянного тока, генерируемая HWR, является не точным сигналом постоянного тока, а пульсирующим сигналом постоянного тока, а в пульсирующей форме постоянного тока существуют пульсации.Эти колебания можно уменьшить, используя фильтрующие устройства, такие как катушки индуктивности и конденсаторы.

    Для вычисления количества пульсаций в сигнале постоянного тока используется коэффициент, который называется коэффициентом пульсаций и обозначается как γ . Когда коэффициент пульсации высокий, он показывает расширенную пульсирующую волну постоянного тока, тогда как минимальный коэффициент пульсации показывает минимальную пульсирующую волну постоянного тока,

    Когда значение γ очень минимально, это означает, что выходной постоянный ток почти такой же, как чистый постоянный сигнал.Таким образом, можно утверждать, что чем ниже коэффициент пульсаций, тем более плавный сигнал постоянного тока.

    В математической форме этот коэффициент пульсаций обозначается как пропорция среднеквадратичного значения участка переменного тока к участку постоянного тока выходного напряжения.

    Коэффициент пульсации = действующее значение секции переменного тока / среднеквадратичное значение секции постоянного тока

    I 2 = I 2 постоянного тока + I 2 1 + I 2 2 + I 2 4 = I 2 постоянного тока + I 2 ac

    γ = I ac / I dc = (I 2 — I 2 dc ) / I dc = {(I rms / I 2 dc ) / Idc = {(I rms / I 2 dc ) -1} = k f 2 -1)

    Где kf — форм-фактор

    kf = Irms / Iavg = (Imax / 2) / (Imax / ᴨ) = ᴨ / 2 = 1.57

    Итак, γ = (1,572 — 1) = 1,21

    Коэффициент использования трансформатора (TUF)

    Определяется как отношение мощности переменного тока, подаваемой к нагрузке, и номинальной мощности переменного тока вторичной обмотки трансформатора. TUF однополупериодного выпрямителя составляет около 0,287.

    HWR с конденсаторным фильтром

    Согласно общей теории, которая обсуждалась выше, выход полуволнового выпрямителя представляет собой пульсирующий сигнал постоянного тока. Это получается, когда HWR работает без фильтра.Фильтры — это устройство, которое используется для преобразования пульсирующего сигнала постоянного тока в устойчивые сигналы постоянного тока, что означает (преобразование пульсирующего сигнала в плавный сигнал). Это может быть достигнуто путем подавления пульсаций постоянного тока, которые возникают в сигнале.

    Хотя эти устройства теоретически можно использовать без фильтров, но предполагается, что они могут быть реализованы для любых практических приложений. Поскольку устройству постоянного тока потребуется устойчивый сигнал, пульсирующий сигнал должен быть преобразован в плавный, чтобы его можно было использовать в реальных приложениях.Это причина того, что HWR используется с фильтром в практических сценариях. Вместо фильтра можно использовать катушку индуктивности или конденсатор, но чаще всего используется HWR с конденсатором.

    На рисунке ниже поясняется принципиальная схема конструкции полуволнового выпрямителя с конденсаторным фильтром и то, как он сглаживает пульсирующий сигнал постоянного тока.

    Преимущества и недостатки

    По сравнению с двухполупериодным выпрямителем, однополупериодный выпрямитель не так часто используется в приложениях.Хотя у этого устройства мало преимуществ. Преимущества полуволнового выпрямителя : :

    .
    • Дешево — используется минимальное количество компонентов
    • Простой — Из-за того, что конструкция схемы полностью проста
    • Простота использования — простая конструкция упрощает использование устройства
    • Низкое количество компонентов

    Недостатки полуволнового выпрямителя :

    • В секции нагрузки выходная мощность включается в компоненты постоянного и переменного тока, где базовый уровень частоты аналогичен уровню частоты входного напряжения.Кроме того, будет увеличиваться коэффициент пульсации, что означает, что шум будет высоким, и потребуется расширенная фильтрация для обеспечения постоянного выходного сигнала постоянного тока.
    • Поскольку подача мощности будет только во время одного полупериода входного переменного напряжения, их характеристики выпрямления минимальны, а также будет меньше выходная мощность.
    • Однополупериодный выпрямитель с минимальным коэффициентом использования трансформатора
    • В сердечнике трансформатора происходит насыщение по постоянному току, что приводит к току намагничивания, гистерезисным потерям, а также развитию гармоник.
    • Величина мощности постоянного тока, которая поступает от полуволнового выпрямителя, недостаточна для генерации даже общего количества энергии. Принимая во внимание, что это может быть использовано для нескольких приложений, таких как зарядка аккумулятора.

    Приложения

    Основное применение однополупериодного выпрямителя — получение мощности переменного тока от источника постоянного тока. Выпрямители в основном используются для внутренних цепей источников питания почти в каждом электронном устройстве. В источниках питания выпрямитель обычно размещается последовательно, таким образом, он состоит из трансформатора, сглаживающего фильтра и регулятора напряжения.Некоторые из других приложений HWR:

    • Использование выпрямителя в блоке питания позволяет преобразовывать переменный ток в постоянный. Мостовые выпрямители широко используются в огромных приложениях, где они обладают способностью преобразовывать высокое переменное напряжение в минимальное постоянное напряжение.
    • Реализация HWR помогает получить требуемый уровень постоянного напряжения через понижающие или повышающие трансформаторы.
    • Это устройство также используется при сварке металлических цепей, а также в репеллентах от комаров, чтобы выталкивать провод для паров.
    • Используется на радиоустройстве AM для целей обнаружения
    • Используются как цепи зажигания и генерации импульсов
    • Применяется в усилителях напряжения и устройствах модуляции.

    Это все о схеме полуволнового выпрямителя и работе с ее характеристиками. Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять этот проект. Кроме того, по любым вопросам, касающимся этой статьи, или любой помощи в реализации проектов в области электротехники и электроники, вы можете свободно обращаться к нам, оставляя комментарии в разделе комментариев ниже.Вот вам вопрос, какова основная функция однополупериодного выпрямителя?

    Схема полуволнового выпрямителя

    »Электроника

    Схема полуволнового выпрямителя работает с использованием диода, предотвращающего прохождение половины формы волны переменного тока. В результате проходит только часть (обычно половина) сигнала, и он выпрямляется.


    Цепи диодного выпрямителя Включают:
    Цепи диодного выпрямителя Полуволновой выпрямитель Двухполупериодный выпрямитель Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель Двухполупериодный мостовой выпрямитель Синхронный выпрямитель


    Схема однополупериодного выпрямителя — это простейшая форма выпрямительной схемы, которую можно использовать, и хотя она может не обеспечивать наивысший уровень производительности в некоторых аспектах, тем не менее, она очень широко используется.

    Применение полуволнового диодного выпрямителя

    Полупериодный диодный выпрямитель используется по-разному и в самых разных схемах.

    • Выпрямление мощности: Один из наиболее очевидных способов использования полуволнового диодного выпрямителя — использование выпрямителя мощности. Входная линия или сеть питания обычно проходит через трансформатор для преобразования напряжения до необходимого уровня.
    • Демодуляция сигнала: Простой полуволновой диодный выпрямитель может использоваться для демодуляции сигналов с амплитудной модуляцией.Процесс выпрямления позволяет восстановить амплитудную модуляцию.
    • Детектор пикового сигнала: Простой полуволновой диодный детектор может использоваться в качестве пикового детектора, обнаруживая пики входящей формы волны.

    Базовая схема однополупериодного выпрямителя

    Основы работы схемы однополупериодного выпрямителя довольно просты. Входящий сигнал проходит через диод. Поскольку он может пропускать ток только в одном направлении, он пропускает только ту часть формы волны, для которой диод смещен в прямом направлении.

    Выпрямляющее действие диода
    , , одиночный диод, пропускает только половину формы волны

    В схеме полуволнового выпрямителя обычно используется единственный диод. Входящий сигнал подключается непосредственно к диоду, а диод, в свою очередь, подключается к нагрузке, как показано на схеме полуволнового выпрямителя ниже.

    Базовая схема однополупериодного выпрямителя

    Схема полуволнового диода

    Хотя в схеме полуволнового диодного выпрямителя в основном используется один диод, существует несколько различий в схемах вокруг диода в зависимости от применения.

    • Силовой выпрямитель: При использовании для выпрямления мощности схема однополупериодного выпрямителя используется с трансформатором, если он каким-либо образом будет использоваться для питания оборудования. Обычно в этом приложении переменный сигнал на входе подается через трансформатор. Он используется для обеспечения необходимого входного напряжения.
      Однополупериодный выпрямитель с трансформаторным входом
    • AM-демодуляция: Когда полуволновой выпрямитель используется для обнаружения амплитудной модуляции, очевидно, что схема требует взаимодействия с другими схемами в радио.Типичная схема может быть такой, как показано ниже. Однополупериодный выпрямитель с трансформаторным входом
    • Детектор пиков: Полуволновая диодная схема часто используется в качестве простого детектора пиков напряжения. Поместив конденсатор на выходную нагрузку, конденсатор будет заряжаться до пикового напряжения (& sqrt; 2 x среднеквадратичное напряжение синусоидальной волны). При условии, что постоянная времени цепи CR, конденсатора и сопротивления нагрузки намного больше периода формы сигнала или достаточна для захвата пика изменяющейся формы сигнала, схема будет удерживать пик напряжения.
    • Трансформатор обеспечивает изоляцию от сети или сети, а также позволяет входному напряжению на диод быть на требуемом уровне. Обратите внимание, что пиковое напряжение равно & sqrt; 2 или 1,414 раза больше среднеквадратичного значения.

      Требования к полупериодному выпрямительному диоду

      При разработке схемы однополупериодного выпрямителя необходимо убедиться, что диод способен обеспечить требуемые характеристики. Несмотря на то, что существует очень много параметров, которые определяют отдельные диоды, и их, возможно, необходимо учитывать для данной конструкции, некоторые из основных параметров подробно описаны ниже:

      Меры предосторожности в цепи однополупериодного выпрямителя

      При проектировании схемы однополупериодного выпрямителя необходимо убедиться, что в цепи присутствует возврат постоянного тока.Часто при использовании диодного выпрямителя для обнаружения сигнала или пика легко пропустить возврат постоянного тока. Он должен быть включен либо как резистор, либо как часть трансформатора или дросселя. Примеры приведены ниже.

      Возврат постоянного тока, включенный в полуволновой диодный выпрямитель

      Цепь полуволнового выпрямителя часто может быть полезной. Как силовой выпрямитель, он обрабатывает только половину формы волны, что приводит к проблемам со сглаживанием позже. В результате для выпрямления мощности обычно используется двухполупериодная система.Полуволновой выпрямитель часто используется для обнаружения сигналов и пиков.

      Другие схемы и схемотехника:
      Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
      Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

    Что такое полуволновой и полноволновой выпрямитель? — Принцип работы и электрическая схема

    В полуволновом выпрямителе , когда на вход подается питание переменного тока, на нагрузке появляется положительный полупериод, тогда как отрицательный полупериод подавляется.Это можно сделать с помощью полупроводникового диода с PN переходом. Диод пропускает ток только в одном направлении . Таким образом преобразует переменное напряжение в постоянное.

    Схема полуволнового выпрямителя

    В полуволновом выпрямлении используется только один кристаллический диод. Он подключается в схему, как показано ниже.

    Электропитание переменного тока, подлежащее выпрямлению, обычно подается через трансформатор. Трансформатор используется для понижения или повышения основного напряжения питания в соответствии с требованиями.Он также изолирует выпрямитель от линий электропередач и, таким образом, снижает риск поражения электрическим током.

    Работа полуволнового выпрямителя

    При включении питания переменного тока на клемме AB вторичной обмотки появляется переменное напряжение ( В в ), показанное на рисунке ниже.

    Во время положительного полупериода клемма A является положительной по отношению к B, а кристаллический диод смещен в прямом направлении. Следовательно, он проводит, и ток течет через нагрузочный резистор R L .Этот ток варьируется по величине, как показано на волновой диаграмме, показанной ниже.

    Таким образом, на нагрузочном резисторе R L , показанном на рисунке ниже, появляется положительный полупериод выходного напряжения (V out = i RL ).

    Пиковое обратное напряжение

    Во время отрицательного полупериода, когда диод смещен в обратном направлении, максимальное значение напряжения, приходящего на диод, называется пиковым обратным напряжением .Поскольку ток протекает через нагрузочный резистор RL, только в одном направлении, то есть от M к L. Следовательно, через RL получается выход постоянного тока, который по своей природе является пульсирующим.

    Недостатки полуволнового выпрямителя

    Недостатки однополупериодного выпрямителя следующие:

    • Выход низкий, потому что источник переменного тока обеспечивает питание только половину времени.
    • Выходные данные содержат дополнительные переменные компоненты (рябь). Следовательно, для сглаживания выходного сигнала требуется мощная схема фильтра.

    Полноволновой выпрямитель

    В Full Wave Rectification , когда на вход подается питание переменного тока, в течение обоих полупериодов (т.е. положительного и отрицательного) ток течет через нагрузку в одном и том же направлении. Этого можно добиться, используя два кристаллических диода. Два диода поочередно проводят ток.

    Чтобы получить одинаковое направление протекания тока в нагрузочных резисторах R L как во время положительного, так и отрицательного полупериода входа, используются две цепи.Они имеют следующие названия: —

    Чтобы получить подробное описание двух типов двухполупериодных выпрямителей, перейдите по ссылкам, приведенным выше.

    Однополупериодный выпрямитель | Дискретные полупроводниковые схемы

    ДЕТАЛИ И МАТЕРИАЛЫ

    • Низковольтный блок питания переменного тока (выход 6 В)
    • Аккумулятор 6 В
    • Один выпрямительный диод 1N4001 (каталожный номер Radio Shack 276-1101)
    • Маленький мотор для хобби, с постоянным магнитом (каталог Radio Shack № 273-223 или аналог)
    • Детектор звука с наушниками
    • 0.Конденсатор 1 мкФ (каталог Radio Shack № 272-135 или аналог)

    Диод не обязательно должен быть точной модели 1N4001. Для этой задачи подходят любые выпрямительные диоды серии «1N400X», и их довольно легко получить. См. Главу «Эксперименты с переменным током» для получения подробных инструкций по созданию «звукового детектора», перечисленного здесь.

    Если вы еще не создали его, значит, вам не хватает простого и ценного инструмента для экспериментов. Конденсатор 0,1 мкФ предназначен для «подключения» звукового детектора к цепи, так что только переменный ток достигает цепи детектора.

    Значение этого конденсатора не критично. Я успешно использовал конденсаторы емкостью от 0,27 мкФ до 0,015 мкФ. Более низкие значения емкости конденсатора в большей степени ослабляют низкочастотные сигналы, что приводит к меньшей интенсивности звука в наушниках, поэтому используйте конденсатор большей емкости, если вам трудно слышать тон (ы).

    ССЫЛКИ

    Уроки электрических цепей , том 3, глава 3: «Диоды и выпрямители»

    ЦЕЛИ ОБУЧЕНИЯ

    • Функция диода как выпрямителя
    • Работа двигателя с постоянными магнитами от переменного тока по сравнению с постоянным током
    • Измерение «пульсаций» напряжения с помощью вольтметра

    СХЕМА

    ИЛЛЮСТРАЦИЯ

    ИНСТРУКЦИИ

    Подключите двигатель к низковольтному источнику переменного тока через выпрямительный диод, как показано.Диод пропускает ток только в течение одного полупериода полного положительно-отрицательного цикла напряжения источника питания, исключая возможность достижения одного полупериода двигателем.

    В результате двигатель «видит» ток только в одном направлении, хотя пульсирует ток , позволяя ему вращаться в одном направлении. Возьмите перемычку и на мгновение замкните диод, отметив влияние на работу двигателя:

    Как видите, двигатели постоянного тока с постоянными магнитами плохо работают на переменном токе.Удалите временную перемычку и поменяйте ориентацию диода в цепи. Обратите внимание на влияние на двигатель. Измерьте напряжение постоянного тока на двигателе следующим образом:

    Затем измерьте также напряжение переменного тока на двигателе:

    Большинство цифровых мультиметров отлично справляются с различением переменного и постоянного напряжения, и эти два измерения показывают среднее постоянное и переменное «пульсации» напряжения, соответственно, мощности, «воспринимаемой» двигателем. Пульсации напряжения — это изменяющаяся часть напряжения, интерпретируемая измерительным оборудованием как величина переменного тока, хотя форма волны напряжения на самом деле никогда не меняет полярность.

    Пульсация может быть представлена ​​как сигнал переменного тока, наложенный на устойчивый сигнал «смещения» или «смещения» постоянного тока. Сравните эти измерения постоянного и переменного тока с измерениями напряжения на двигателе при питании от батареи:

    Батареи выдают очень «чистую» мощность постоянного тока, и в результате на двигателе в этой цепи должно быть очень мало переменного напряжения.Какое бы ни было переменное напряжение и , измеренное на двигателе, это связано с потребляемым двигателем пульсирующим током, когда щетки замыкают и размыкают контакт с вращающимися стержнями коллектора.

    Этот пульсирующий ток вызывает падение пульсирующего напряжения на любых паразитных сопротивлениях в цепи, что приводит к «провалам» пульсирующего напряжения на клеммах двигателя. Качественная оценка пульсаций напряжения может быть получена с помощью чувствительного звукового детектора, описанного в главе «Эксперименты с переменным током» (то же самое устройство, которое описывается как «чувствительный детектор напряжения» в главе, посвященной экспериментам с постоянным током).

    Уменьшите чувствительность детектора для низкой громкости и подключите его к клеммам двигателя через небольшой (0,1 мкФ) конденсатор, например:

    Конденсатор действует как фильтр верхних частот, блокируя попадание постоянного напряжения на детектор и позволяя легче «прослушивать» оставшееся переменное напряжение. Это точно такой же метод, который используется в схемах осциллографа для «связи по переменному току», когда сигналы постоянного тока блокируются от просмотра последовательно соединенным конденсатором.

    При питании двигателя от батареи пульсация должна походить на пронзительное «жужжание» или «вой». Попробуйте заменить батарею на блок питания переменного тока и выпрямительный диод, «прислушиваясь» детектором к низкому «гудению» полуволнового выпрямленного тока:

    КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ

    Схема с номерами узлов SPICE:

    Netlist (создайте текстовый файл, содержащий следующий текст, дословно):

    Полуволновой выпрямитель v1 1 0 sin (0 8.485 60 0 0) rload 2 0 10k d1 1 2 mod1 .model mod1 d .tran .5m 25m .plot tran v (1,0) v (2,0) .end 

    Эта симуляция отображает входное напряжение как синусоидальную волну, а выходное напряжение как серию «горбов», соответствующих положительным полупериодам напряжения источника переменного тока. К сожалению, динамика двигателя постоянного тока слишком сложна для моделирования с помощью SPICE.

    Напряжение источника переменного тока указано как 8,485 вместо 6 вольт, поскольку SPICE понимает напряжение переменного тока только с точки зрения пикового значения .Среднеквадратичное синусоидальное напряжение 6 В составляет пиковое значение 8,485 В. В симуляциях, где различие между среднеквадратичным значением и пиковым значением не имеет значения, я не буду беспокоиться о преобразовании среднеквадратичного значения в пиковое, как это.

    Честно говоря, различие не так уж важно в этой симуляции, но я обсуждаю его здесь для вашего назидания.

    СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

    Полуволновой выпрямитель

    и приложения

    Выпрямитель может быть простым диодом или группой диодов, которые преобразуют переменный ток (переменный ток) в постоянный ток (постоянный ток).Поскольку диод пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует в другом направлении, этот принцип используется для создания различных типов выпрямителей. В целом выпрямители классифицируются как полуволновые и полноволновые выпрямители.

    Полуволновой выпрямитель

    Схема HWR (полуволнового выпрямителя) — это схема, которая позволяет только один цикл ввода сигнала переменного тока и блокирует другой. В общем, мы можем сказать, что он преобразует положительный полупериод синусоидальной волны на входе в пульсирующий выходной сигнал постоянного тока, хотя преобразование положительного или отрицательного цикла зависит от способа подключения диода.

    Конструкция полуволнового выпрямителя

    В HWR мы используем только один диод, которого более чем достаточно для выполнения желаемой работы. Поскольку нам нужен постоянный ток на выходе для синусоидального сигнала переменного тока, подаваемого на вход, поэтому один диод, включенный последовательно, выполняет всю работу за нас.

    Это еще не все, но когда мы говорим обо всей конструкции схемы полуволнового выпрямителя, она состоит в основном из трех компонентов (без фильтра):

      1. Трансформатор (понижающий)
      2. A Активная нагрузка
      3. Диод

    Теория полуволнового выпрямителя

    Теперь посмотрим, как схема HWR преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.Сначала высокое напряжение переменного тока подается на первичную обмотку понижающего трансформатора, и, соответственно, на вторичной обмотке получается низкое напряжение, которое подается на диод.
    Диод будет в режиме прямого смещения в течение положительного полупериода переменного напряжения, поэтому ток течет через него. Во время следующего полупериода, то есть отрицательного цикла, диод становится смещенным в обратном направлении и блокирует ток через него. Таким образом, если посмотреть на окончательный вывод, мы можем увидеть, что ввод отслеживался как вывод только для положительного полупериода, как показано на рисунке ниже.


    Попробуем понять эту концепцию более удобным способом, взяв синусоидальное напряжение вместо понижающего трансформатора.


    Для положительного полупериода схема выглядит так:

    Это потому, что во время положительного полупериода диод находится в прямом смещении и позволяет току проходить через него (диод действует как короткое замыкание), и мы получаем то же напряжение, что и на входе.

    Для отрицательного полупериода цепь становится разомкнутой, поскольку диод становится смещенным в обратном направлении и блокирует ток, таким образом, выходное напряжение равно нулю, как показано ниже:


    Форма волны ввода-вывода в вышеупомянутой ситуации показана на диаграмме ниже.Это происходит очень быстро в зависимости от частоты входящего напряжения (50 герц, время 20 мс).

    На приведенном выше графике показан выпрямитель с положительной полуволновой фазой, который допускает только положительный цикл и блокирует отрицательный.
    Аналогично, если полярность диода меняется на обратную, то тот же выпрямитель становится выпрямителем с отрицательной полуволной, который допускает только отрицательный цикл и блокирует положительный.

    Полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром

    Форма выходного сигнала, полученная из схемы однополупериодного выпрямителя без фильтра, описанная выше, представляет собой пульсирующую форму волны постоянного тока.

    Теперь, когда мы знаем, что все схемы, которые мы используем, практически нуждаются в постоянном постоянном токе, а не в пульсирующем, поэтому мы используем фильтры, чтобы получить желаемую форму постоянного тока. Фильтры делают это, подавляя пульсации постоянного тока в форме волны.

    Следовательно, чтобы получить более гладкую форму выходного сигнала постоянного тока, мы можем использовать либо конденсатор, либо катушку индуктивности, но чаще всего используется HWR (полуволновой выпрямитель) вместе с емкостным фильтром. На приведенной ниже диаграмме показано, как конденсаторный фильтр сглаживает форму волны. Конденсатор подключен параллельно резистивной нагрузке.

    HWR с конденсаторным фильтром

    Давайте теперь посмотрим несколько формул полуволнового выпрямителя на основе приведенных выше объяснений и форм сигналов.

    Коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя

    При преобразовании формы волны переменного напряжения в постоянный остающийся нежелательный компонент переменного тока называется пульсацией. Даже после всей фильтрации у нас все еще остается некоторая составляющая переменного тока, которая пульсирует форму волны постоянного тока.Этот нежелательный компонент переменного тока называется пульсацией.

    Коэффициент пульсации

    (обозначается знаком «») используется для количественной оценки качества преобразования переменного напряжения в постоянное. Коэффициент пульсаций определяется отношением среднеквадратичного значения переменного напряжения (на входе) к напряжению постоянного тока на выходе выпрямителя.

    Формула для коэффициента пульсации выглядит так:

    ɣ = √ [(В rms / В DC ) 2 — 1]

    В качестве альтернативы ɣ = (I 2 RMS — I 2 DC ) / I DC = 1.21 (для синусоидальной формы сигнала)

    На самом деле, для хорошего выпрямителя коэффициент пульсаций должен быть как можно меньше, поэтому для подавления пульсаций в цепи используются конденсаторные или индукционные фильтры.

    КПД полуволнового выпрямителя

    Эффективность выпрямителя (ɳ) — это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока, формула имеет вид:

    ɳ = (P постоянного тока / P переменного тока )

    КПД HWR составляет 40,6% (ɳ ​​ макс = 40.6%)

    Среднеквадратичное значение полуволнового выпрямителя

    Чтобы найти действующее значение однополупериодного выпрямителя, нам нужно рассчитать ток через нагрузку. Если мгновенный ток нагрузки i L = I m sinwt, то средний ток нагрузки (I dc ) равен:

    I dc = (1/2 π) ∫ 0 π I м sinwt = (I м / π)

    Здесь I m представляет пиковый мгновенный ток через нагрузку (I max ).Это постоянный ток, полученный на нагрузке (выходе), равен

    .

    I DC = I max / π; где I max = максимальная амплитуда постоянного тока

    Для однополупериодного выпрямителя среднеквадратичный ток нагрузки I действующее значение равен среднему току I постоянного тока , умноженному на π / 2. Таким образом, I rms = I м /4

    Где I max = I м , что равно пиковому мгновенному току через нагрузку.

    Пиковое обратное напряжение полуволнового выпрямителя

    Это максимальное напряжение, которое диод может выдержать в состоянии обратного смещения. Если приложить напряжение больше PIV, диод выйдет из строя.

    Форм-фактор полуволнового выпрямителя

    Форм-фактор — это отношение действующего значения к среднему значению.

    F.F = среднеквадратичное значение / среднее значение

    Форм-фактор HWR составляет 1,57, т.е. FF = 1,57

    Выходное напряжение постоянного тока

    Выходное напряжение ( В постоянного тока, ) на нагрузочном резисторе обозначено

    .

    V DC = Vs max / π, где Vs max — максимальная амплитуда вторичного напряжения

    Преимущества полуволнового выпрямителя
    • Простая схема с меньшим количеством компонентов
    • Экономичен в исходном состоянии.Хотя со временем возникает более высокая стоимость из-за больших потерь мощности

    Недостатки полуволнового выпрямителя
    • Преобразует только один цикл заданного ему синусоидального входа, а другой цикл теряется. Таким образом, давая больше потерь мощности.
    • HWR производит более низкое выходное напряжение.
    • Полученный таким образом выходной ток не является чисто постоянным и все еще содержит много пульсаций (т.е. имеет высокий коэффициент пульсаций).

    Применение полуволнового выпрямителя

    В повседневной жизни полуволновой выпрямитель в основном используется в приложениях с низким энергопотреблением из-за его основного недостатка, заключающегося в том, что выходная амплитуда меньше входной.Таким образом, мощность тратится впустую, а на выходе пульсирует постоянный ток, что приводит к чрезмерной пульсации.

    Некоторые из применений выпрямителей находятся в:

    • Приборы
    • Используется с трансформаторами
    • Пайка
    • AM радио
    • Цепи импульсные генерируемые
    • Одинарная демодуляция
    • Умножитель напряжения
    Использование выпрямителя для питания приборов

    Как мы знаем, все электроприборы используют источник питания постоянного тока для работы, поэтому использование выпрямителя в источнике питания помогает преобразовать источник питания переменного тока в постоянный.Мостовые выпрямители широко используются в крупных бытовых приборах, где они способны преобразовывать высокое переменное напряжение в более низкое постоянное напряжение.

    Используется с трансформатором

    С помощью однополупериодного выпрямителя можно достичь желаемого напряжения постоянного тока с помощью повышающих или понижающих трансформаторов. Даже полноволновые выпрямители используются для питания двигателей и светодиодов, работающих от постоянного напряжения.

    Использование выпрямителя при пайке Полуволновые выпрямители

    используются в схемах паяльников, а также в репеллентах от комаров для отвода дыма от свинца.При электросварке выпрямители с мостовой схемой используются для подачи постоянного и поляризованного постоянного напряжения.

    Используется в AM-радио

    Полуволновые диодные выпрямители используются в AM-радио в качестве детектора, поскольку на выходе содержится звуковой сигнал. Из-за меньшей силы тока от него мало пользы для более сложного выпрямителя.

    Использование выпрямителя в схемах

    В цепях генерации импульсов и пусковых цепях используются однополупериодные выпрямители.

    Используется для модуляции

    В модулирующем сигнале для демодуляции амплитуды используется полуволновой выпрямитель. Для определения амплитуды модуляции сигнала в радиосигнале используется двухполупериодный мостовой выпрямитель.

    Используется в умножителе напряжения

    В схеме умножителя напряжения используется схема однополупериодного выпрямителя.

    Трехфазный полуволновой выпрямитель

    Хотя принцип и теория трехфазного HWR такие же, как и у однофазного HWR, но характеристики другие.Форма волны, коэффициент пульсации, КПД и выходные среднеквадратичные значения не совпадают.

    Трехфазный полуволновой (диодный) выпрямитель используется для преобразования трехфазного переменного тока в постоянный. Поскольку диоды здесь используются в качестве переключателей, следовательно, они являются неконтролируемыми переключателями, это означает, что нет никакого способа контролировать время включения и выключения этих переключателей.

    Как правило, трехфазный полуволновой диодный выпрямитель имеет трехфазное питание, подключенное к трехфазному трансформатору, где вторичная обмотка трансформатора всегда соединена звездой.Это сделано по той причине, что нейтральная точка требуется для подключения нагрузки обратно к вторичным обмоткам трансформатора, обеспечивая обратный путь для потока энергии.

    Типичный трехфазный трансформатор, питающий чисто резистивную нагрузку, показан ниже. Здесь каждая фаза трансформатора используется как отдельный источник переменного тока. Измерение и моделирование напряжений показано на рисунке ниже. Кроме того, мы подключили отдельные вольтметры как к каждому источнику, так и к нагрузке.

    Итак, из приведенной выше формы сигнала, что диод D1 проводит, когда фаза R имеет значение напряжения, которое выше, чем значение напряжения двух других фаз, и указанное условие начинается, когда фаза R находится на 30 0 повторяется после каждого полного цикла. Итак, D1 ведет дальше по адресу 390 0 . Точно так же диод D2 начинает проводить в точке 150 0 , когда напряжение в фазе B становится максимальным (по сравнению с двумя другими фазами) в этот момент.Следовательно, каждый диод проводит для 150 0 -30 0 = 120 0 .

    Среднее значение выходного напряжения на резистивной нагрузке равно

    .

    V o = (3 / 2π) V м по прямой

    Где В м по линии = √6 В фаз e

    Действующее значение выходного напряжения может быть выражено как

    .

    В или среднеквадратичное значение = 0,84068 В м фаза

    А коэффициент пульсации напряжения равен

    V r / V o = 0.151 / 0,827 = 0,186 = 18,26%

    Таким образом, пульсации напряжения значительны и, следовательно, нежелательны, поскольку приводят к потере мощности.

    alexxlab

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован.