Схема двухполупериодного выпрямителя
К категории выпрямителей относятся различные устройства, с помощью которых переменный входной электрический ток преобразуется на выходе в постоянный ток. В большинстве таких приборов невозможно создать постоянный ток и напряжение. В них осуществляется создание однонаправленного пульсирующего напряжения и тока, где сглаживание пульсаций выполняется с помощью специальных фильтров. Среди множества подобных приборов, наиболее эффективной считается схема двухполупериодного выпрямителя.
Содержание
Свойства двухполупериодного выпрямителя
Основным свойством этих устройств является протекание электрического тока через нагрузку за оба полупериода в одном и том же направлении.
В приборах такого типа используются, в основном, мостовые или полумостовые схемы. В последнем случае однофазный ток выпрямляется с использованием специального трансформатора. В качестве вывода используется средняя точка вторичной обмотки, а количество элементов, выпрямляющих ток – в два раза меньше.
В настоящее время полумостовая схема используется довольно редко из-за высокой металлоемкости и высокого активного внутреннего сопротивления, с большими потерями при нагревании трансформаторных обмоток.
Чаще всего используются двухполупериодные устройства, в схемах которых имеется сразу два вентиля. Электрический ток в нагрузке всегда протекает в одном и том же направлении. В результате, выпрямление тока происходит с участием двух полупериодов напряжения. Благодаря высокой частоте пульсаций, фильтрация выпрямляемого напряжения существенно облегчается.
Двухполупериодные выпрямители получили широкое распространение во многих радиоэлектронных устройствах, обеспечивая их нормальное питание. Возможность преобразования постоянного тока из одного напряжения в другое, дает возможность создавать в схемах питания различные напряжения при одном и том же источнике энергии.
Распространенные схемы двухполупериодных выпрямителей
Данные схемы лежат в основе многих источников питания, применяемых в радиоэлектронике и других технических областях.
Таким образом, обеспечивается постоянное напряжение питания электронных устройств, технологических процессов, электромашинных приводов механизмов. Чтобы правильно эксплуатировать выпрямители, необходимо хорошо знать их основные свойства.
Двухполупериодный однофазный выпрямитель с выводом от средней точки
Основными преимуществами данной схемы считается более высокий коэффициент эксплуатации вентилей по току, сниженная расчетная мощность трансформатора, низкий коэффициент, определяющий пульсацию выпрямленного напряжения.
Однако в этой схеме вентили недостаточно используются по напряжению. Само устройство обладает высоким обратным напряжением, поступающим на выпрямительные диоды. В схеме используется более сложная конструкция трансформатора.
Двухполупериодный однофазный мостовой выпрямитель
Главным преимуществом мостового выпрямителя считается повышенный коэффициент применения вентилей по напряжению. В схеме используется трансформатор с меньшей расчетной мощностью и очень простой конструкцией.
Данные выпрямители нашли широкое применение в установках малой и средней мощности.
Главным недостатком мостовой схемы является необходимость строгой симметрии напряжений на каждой обмотке и применение двух обмоток вместо одной. На диодах возникает большое обратное напряжение. В сравнении с предыдущей схемой выпрямителя, требуется в два раза больше диодов, однако значение общего сопротивления постоянному току во многих случаях оказывается меньше, чем сопротивление выпрямителя со средней точкой.
Двухполупериодный выпрямитель с удвоением напряжения
Данная схема используется в случае возникновения проблем с намоткой вторичной обмотки, состоящей из множества витков, или при обмотке действующего трансформатора с недостаточным напряжением. В схеме удвоения применяется нагрузочная характеристика с круто падающим графиком. Пульсации выпрямленного тока сглаживаются конденсаторами.
Серьезным недостатком считается возможный взрыв электролитического конденсатора под действием переменного напряжения в случае пробоя одного из диодов.
Представленная схема не может быть использована для получения напряжения на выходе более 200-300В из-за возможного пробоя изоляции между нитью накала и катодами в кенотроне.
Двухполупериодный выпрямитель с умножением напряжения
Представленная схема дает возможность получать высокое напряжение без использования высоковольтного трансформатора. В ней используются конденсаторы с рабочим напряжением 2Ет, независимо от того, во сколько раз умножилось значение напряжения.
Данная схема двухполупериодного выпрямителя имеет недостаток в виде разрядки конденсаторов при включении нагрузочного сопротивления. С уменьшением сопротивления нагрузки увеличивается скорость разрядки конденсаторов, снижается их напряжение. Использование этой схемы нерационально при незначительных сопротивлениях нагрузок.
Выпрямительные схемы
Пример решения контрольной по электротехнике
Задача 1.
Составить схему двухполупериодного выпрямителя, использовав стандартные диоды Д226А, параметры которых : Iдоп=0.3 А, а Uобр=300 В. Мощность потребителя Pd=80 Вт с напряжением питания Ud=150 В. Пояснить порядок составления схемы диодов с приведёнными параметрами.
Дано: тип диода Д226А ; Pd=80 Вт ; Ud=150 В.
Требуется : составить схему двухполупериодного выпрямителя.
Решение.
Определяем ток потребителя :
Id=Pd/Ud=80/150=0.5 A.
Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
Ub=3.14Ud=3.14×150=471 В.
Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям Uобр>Ub и Iдоп>0,5Id. В данном случае первое условие не соблюдается, так как 300<471 ; второе условие соблюдается, так как 0.3>0.5×0.5=0.25 A.
Составляем схему выпрямителя.
Чтобы выполнялось условие Uобр>Ub необходимо в каждом плече включить два диода, соединённых последовательно. Тогда Uобр=2×300=600>471 В.
Полная схема выпрямителя приведена на рисунке.
Задача 2.
Составить схему конечного трансформаторного усилителя мощности на транзисторе из указанных элементов.
Решение.
На рисунке приведена схема однотактного усилителя мощности, составленная из заданных элементов.
Транзистор включен по схеме с общим эмиттером. Полярность источника питания с э.д.с. Ек по отношению к коллекторной цепи зависит от типа транзистора. На рисунке полярность источника соответствует усилительному каскаду с транзистором типа p-n-p. Делитель напряжения R1 и R2 обеспечивает работу транзистора в режиме покоя, т.е. в отсутствие входного сигнала. Конденсатор Свх не пропускает постоянную составляющую в базовую цепь транзистора.
Помощь на экзамене онлайн. Резистор Rэ и конденсатор Сэ обеспечивают температурную стабилизацию каскада.
В коллекторную цепь транзистора включен понижающий трансформатор, для согласования сопротивления нагрузочного устройства с выходным сопротивлением усилителя мощности.
Задача 3.
Чем данная схема отличается от промежуточного трансформаторного усилителя напряжения?
Усилители напряжения и многокаскадные усилители обеспечивают получение на выходе сигналов, мощность которых значительно превышает мощность входных сигналов. Однако для большинства из них (усилители напряжения) основным показателем работы является коэффициент усиления по напряжению при определённых допустимых значениях нелинейных и частотных искажений усиливаемого сигнала. В промышленной электронике очень часто возникает необходимость получения в нагрузочном устройстве максимальной мощности усиленного сигнала. Для этой цели используются усилители мощности.
Они, как правило, являются выходными (оконечными) каскадами многокаскадных усилителей.
Нагрузочными устройствами усилителей мощности, как правило, являются обмотки электродвигателей, реле, громкоговорители и другие элементы электрических цепей, имеющие сравнительно небольшие сопротивления (единицы и десятки Ом).
Задача 4.
Для транзистора включенного по схеме с общим эмиттером, определить по выходным характеристикам коэффициент усиления h31э, значение сопротивлений нагрузки Rk1 и Rk2 и мощность на коллекторе Pk1 и Pk2 для значений тока базы Iб1 и Iб2, если напряжение на коллекторе и напряжение на источниках питания Ек.
Дано : Uкэ=10 В ; Iб1=150 мкА ; Iб2=200 мкА ; Ek=20 В
Найти : h31э ; Rk1 Rk2 ; Pk1 ; Pk2
Решение.
При заданном напряжении Uкэ=10 В и токе базы Iб1=150 мкА, по выходным характеристикам находим ток коллектора : Ik1=6.
875 мА.
Аналогично, находим ток коллектора при значениях напряжения Uкэ=10 В и токе базы Iб2= =200 мкА : Ik2=11.875 мА
Находим мощность на коллекторе при значениях тока коллектора Ik1 и Ik2 :
Pk1=UкэIk1=10×6.875×10-3=68.75×10-3 Вт=68.75 мВт
Pk2=UкэIk2=10×11.875×10-3=118.75×10-3 Вт=118.75 мВт
Находим сопротивления нагрузки, для различных токов коллектора :
Rk1=(Ek-Uкэ)/Iк1=(20-10)/(6.875×10-3)=1455 Ом
Rk2=(Ek-Uлэ)/Ik2=(20-10)/(11.875×10-3)=842 Ом.
Определяем коэффициент усиления :
h31э=ΔIk/ΔIб==100
Ответ : Pk1=68.75 мВт ; Pk2=118.75 мВт ; Rk1=1455 Ом ; Rk2=842 Ом ; h31э=100.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
| DevXplained
Он используется во многих продуктах и фактически является стандартным выпрямителем: двухполупериодным мостовым выпрямителем. Давайте узнаем, как это работает.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Двухполупериодный мостовой выпрямитель фактически является стандартной схемой выпрямителя. Это позволяет нам использовать как отрицательную, так и положительную полуволну сигнала переменного тока. Как это возможно? Давай выясним!
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ
Эксперименты в этом руководстве проводились с генератором сигналов при размахе напряжения 9 В.V. При проведении экспериментов используйте напряжения ниже 24 В переменного тока.
Эксперименты с сетевым напряжением могут привести к серьезным травмам или смерти.
Схема выпрямителя
Стандартный двухполупериодный выпрямитель состоит из четырех диодов, которые используются в мостовой конфигурации: два одинаковых плеча с двумя диодами в каждом соединены нагрузкой между ними.
- Макет
- Схема
Во время положительной полуволны диоды D1 и D3 проводят ток и питают нагрузку.
Во время отрицательной полуволны два других диода проводят ток. D2 подводит положительное напряжение от нижнего рельса к положительному полюсу нагрузки, а D4 соединяет отрицательный полюс с верхним рельсом.
В демонстрационных целях я заменил диоды на светодиоды и снизил частоту сигнала переменного тока до 1 Гц. Это позволяет нам наблюдать схему выпрямителя в действии. Ваш браузер не поддерживает видео тег.
Два альтернативных пути тока позволяют питать цепь постоянного тока в обеих полуволнах. Если мы посмотрим на сигнал, то увидим, что отрицательная полуволна превращается в положительную, а не отсекается, как это делает однополупериодный выпрямитель.
Как и в случае с однополупериодным выпрямителем, выпрямленный сигнал имеет примерно ту же амплитуду, что и сигнал переменного тока. Опять же, есть потери на диодах, которые можно уменьшить, используя диоды Шоттки.
Поскольку теперь у нас есть два диода на путь, потери в два раза выше, чем в однополупериодном выпрямителе только с одним диодом. Однако, поскольку мы можем использовать обе полуволны, теперь мы имеем более высокую выходную мощность при том же сопротивлении нагрузки. Среднеквадратичное напряжение теперь равно \(V_{RMS} = {V_{p}\over \sqrt{2}}\). Это не случайно идентично общему определению среднеквадратичного напряжения для синусоидальных сигналов переменного тока. За исключением небольших потерь, мы можем использовать всю мощность источника переменного тока с этим выпрямителем.
Добавление конденсаторного фильтра
Для стабилизации выходного напряжения мы снова можем использовать конденсатор, как мы использовали для однополупериодного выпрямителя:
- Макет
- Схема
Конденсатор стабилизирует напряжение, но вызывает скачки тока во время зарядки. Как и в случае с однополупериодным выпрямителем, вам необходимо увеличить значение емкости для больших нагрузок или уменьшения пульсаций.
Заключение
С двухполупериодным выпрямителем мы получаем мощность как в положительной, так и в отрицательной полуволне для нашей цепи постоянного тока. Нагрузка на источник переменного тока распределяется равномерно, а не только на одну полуволну. Нам еще нужно стабилизировать выпрямленный сигнал, чтобы получить постоянное постоянное напряжение. Однако при той же нагрузке и емкости двухполупериодный выпрямитель производит меньше пульсаций, чем однополупериодный выпрямитель. Если пульсации все еще слишком велики для цепи постоянного тока, можно использовать регулятор напряжения, чтобы получить для нее фиксированное и более стабильное напряжение. По сравнению с однополупериодным выпрямителем в большинстве случаев двухполупериодный выпрямитель является лучшим выбором.
Недостатками по сравнению с однополупериодным выпрямителем являются большее количество компонентов и удвоенные потери на диодах.
Работа двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом —…
Опубликовано
В предыдущем обсуждении выпрямителей мы обсуждали двухполупериодные выпрямители и их отличия от однополупериодных. Мы также обсудили один тип двухполупериодного выпрямителя, мостовой двухполупериодный выпрямитель, и узнали, как он работает для выпрямления как положительных, так и отрицательных полупериодов входного переменного тока. В этом руководстве мы перейдем ко второму типу двухполупериодного выпрямителя, двухполупериодному выпрямителю с отводом от середины, и обсудим, как он работает.
Рис. 1. Типовая схема применения двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки.
Причина, по которой этот тип двухполупериодного выпрямителя называется выпрямителем с отводом от средней точки, заключается в том, что в нем используется трансформатор с отводом от средней точки. Если вы заметили на принципиальных схемах, которые мы показали в учебниках по однополупериодным и мостовым двухполупериодным выпрямителям, вы можете увидеть, что трансформатор имеет только одну обмотку на вторичной стороне. Поэтому, если мы хотим создать источник питания, в котором используется двухполупериодный или мостовой двухполупериодный выпрямитель, мы просто используем трансформаторы, которые имеют только одну обмотку на вторичной стороне.
Рисунок 2а. Типовая схема применения однополупериодного выпрямителя. Рисунок 2б. Типовая схема применения мостового двухполупериодного выпрямителя. Трансформаторы могут иметь разное количество обмоток на первичной и вторичной сторонах. Некоторые трансформаторы имеют только одну обмотку на первичной и вторичной сторонах, но большинство трансформаторов, с которыми я сталкивался, имеют несколько обмоток с обеих сторон.
Например, Triad Magnetics VPS24-5400, который мы использовали в других руководствах, использует двойную обмотку с обеих сторон и может иметь последовательную или параллельную конфигурацию. Если вам интересно узнать, как подключить трансформаторы, вы можете ознакомиться с нашим руководством здесь.
Для трансформатора с отводом от середины, этот тип трансформатора предназначен для получения двух вторичных напряжений с общим соединением в центре вторичной обмотки. Таким образом, два напряжения одинаковы, и они также могут обеспечивать одинаковую мощность. От одного конца до центрального ответвления напряжение, очевидно, составляет половину общего вторичного напряжения.
Рисунок 4а. Типичная схема применения выпрямителя с центральным отводом. Рисунок 4b. Типовая схема применения мостового выпрямителя. На рис. 4 показано, как трансформатор с отводом от средней точки соединяется с двухполупериодным выпрямителем с отводом от средней точки.
Одно из различий между выпрямителем с отводом от средней точки и мостовым выпрямителем заключается в количестве диодов, используемых для выпрямления как положительных, так и отрицательных полупериодов входного переменного тока. В мостовом выпрямителе используются 4 диода, а в выпрямителе с отводом от средней точки — только 2 диода.
Работа двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки
Теперь давайте обсудим, как работает двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки. На рисунке 5 вы можете видеть полярность вторичной обмотки трансформатора с отводом от середины во время положительного полупериода входного переменного тока. В этом случае D1 смещен в прямом направлении, а D2 — в обратном. Таким образом, ток протекает через D1 и входит в нагрузку, а затем возвращается к трансформатору через соединение с центральным отводом, как показано на рис. 5.
Рис. 5. Работа выпрямителя с отводом от средней точки во время положительного полупериода входного переменного тока.
Когда вход переменного тока переключается на отрицательный полупериод, полярность вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки меняется на противоположную, как вы можете видеть на рисунке 6. Таким образом, на этот раз D1 смещен в обратном направлении, а D2 смещен в прямом направлении. . Ток протекает через D2 и входит в нагрузку в том же направлении, что и во время положительного полупериода входного переменного тока, а затем возвращается в трансформатор через соединение с центральным отводом. Поскольку ток входит в нагрузку в одном и том же направлении как в положительном, так и в отрицательном полупериодах, напряжение на нагрузке представляет собой двухполупериодное выпрямленное постоянное напряжение. Но это все еще пульсирующий постоянный ток, который необходимо отфильтровать перед использованием в качестве источника питания постоянного тока.
Рис. 6. Работа выпрямителя с отводом от средней точки во время отрицательного полупериода входного переменного тока.Среднее значение
Аналогично мостовому двухполупериодному выпрямителю, среднее значение двухполупериодного выпрямленного напряжения можно определить по следующей формуле: пиковое выходное напряжение волнового выпрямителя.
Пиковое выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки равно только половине вторичного напряжения трансформатора минус прямое напряжение диода. Если вы собираетесь проверить протекание тока во время положительного и отрицательного полупериода входного переменного тока, вы заметите, что нагрузка воспринимает только половину вторичного напряжения трансформатора, а не общее вторичное напряжение. Таким образом, чтобы определить пиковое выходное напряжение на нагрузке, проверьте, что составляет половину вторичного напряжения трансформатора, и используйте это уравнение:
Пиковое обратное напряжение
Рис. 8. Пиковое обратное напряжение двухполупериодных выпрямительных диодов с отводом от средней точки. Теперь для пикового обратного напряжения (PIV) диодов двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки предположим, что вход переменного тока находится в положительном полупериоде (см. рис. 8). Таким образом, D1 работает с падением напряжения на диоде 0,7 В, а D2 имеет обратное смещение.
Используя закон напряжения Кирхгофа, мы получаем это уравнение:
Преобразовывая уравнение, мы получаем уравнение PIV:
PIV, который D2 (или D1 во время отрицательного полупериода) должен выдерживать в условиях обратного смещения, равен вторичному напряжение трансформатора с отводом от средней точки за вычетом одного падения на диоде, которое мы принимаем равным 0,7 В.
Резюме
В этом руководстве мы обсудили двухполупериодные выпрямители с отводом от средней точки и их работу. Мы также кратко обсудили, как устроен трансформатор с отводом от средней точки. Я надеюсь, что вы нашли это руководство интересным или полезным. Если у вас есть какие-либо вопросы, оставьте их в комментариях ниже. До встречи в нашем следующем уроке!
Автор:
JB Magoncia
JB — инженер-электронщик, который интересуется звуком, встроенными системами и проектированием печатных плат. Он является одним из инженеров CircuitBread. JB также является музыкантом, который в основном играет на фортепиано/клавишных, но также может играть на басу, гитаре и барабанах.
