принцип работы, схемы и т.д.
Мостовой выпрямитель — устройство или контур, проводящее ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Поскольку мостовой выпрямитель использует всё вторичное напряжение, на выходе напряжение в два раза больше чем у двухполупериодного выпрямителя.
Схема мостового выпрямителяОбратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.
Принцип действия мостового выпрямителя
Мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, соединённых в форме «моста», причём вторичная обмотка трансформатора соединяется через противоположные углы «моста», а сопротивление нагрузки соединяется через другие два угла. Выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя, поскольку через «мост» протекает воздействие всего напряжения вторичной обмотки.
В течение первой половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D1, через сопротивление нагрузки RL, через диод D3, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.
В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.
Мостовая схема выпрямителя.
U2 — Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.
При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.
При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки — нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.
Преимущества:По сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровнепульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.
Недостатки:
Увеличение числа вентилей
необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.
Многофазные выпрямители.
Многофазные выпрямители применяются, как правило только в промышленной и специальной аппаратуре. Обычно в промышленной аппаратуре применяются трехфазные выпрямители двух типов – трехфазный выпрямитель и выпрямитель Ларионова.
Трехфазный выпрямитель.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку. Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций, как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз (т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.
Достоинства:Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.
Недостатки:Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления,
низкий КПД,
нерациональное использование трансформатора.
Схема Ларионова.
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.
Этот выпрямитель представляет собой мостовые выпрямители для каждой пары трехфазных обмоток, работающие на общую нагрузку.
Соединяя в себе достоинства мостового выпрямителя и трехфазного питания, он имеет настолько низкий уровень пульсаций, что позволяет работать почти без сглаживающего конденсатора или с небольшой его емкостью.
Недостатки:
Увеличенное количество вентилей.
6.3. Однофазный мостовой выпрямитель
Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.
Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя
На
рис.6.5 приведены временные диаграммы
напряжений и токов для случая активного
сопротивления нагрузки RН на выходе
моста. К мосту подводится напряжение
u2,
амплитуда которого связана с амплитудой
напряжения u
В интервале фаз 0
Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу
В интервале фаз изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д3 и Д 4 и к закрытию диодов Д 1 и Д 2 . Ток будет протекать через открытые диоды Д 3 и Д 4 , и напряжение в нагрузке R Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз
Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6.2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).
Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д1 подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д 3. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно
Uв max = U2 = 0,5π Ud, (6.9)
то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.
Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом
В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д1и Д3, вторая – на диодах Д2и Д4. Величины разнополярных напряженийud1иud2 равны 0,5 ud– половине суммарного выходного напряжения.
Мостовая схема выпрямителя
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис. 3.3:
Рисунок 3.3- Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя
Где, U2 –Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного напряжения.
При выпрямлении положительного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка — нижний вывод нагрузки — вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.
При выпрямлении отрицательного полупериода переменного напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки — нагрузка – нижний вывод нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка. Как мы видим, в обоих случаях направление тока через нагрузку (выделено курсивом) одинаково.
Преимущества: по сравнению с однополупериодной схемой мостовая схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций. Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых двух схемах.
Недостатки: увеличение числа вентилей и необходимость шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом из них.
Эта схема выпрямителя наиболее часто применяется в самых различных устройствах. На основе этой схемы, при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора можно получить еще два варианта схем выпрямления (рис. 3.4):
Рисунок 3.4.- Два варианта схем выпрямления при наличии среднего вывода с вторичной обмотки трансформатора
На левой схеме отвод от средины вторичной обмотки позволяет получить еще одно напряжение, меньше основного в 2 раза. Таким образом, основное напряжение получается с мостовой схемы выпрямления, дополнительное – с двухполупериодной.
На правой схеме получается двухполярное напряжение амплитудой в 2 раза меньше чем получаемое в основной схеме. Оба напряжения получаются с помощью двуполупериодных схем выпрямления.
Схема удвоения напряжения
Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рис.3.5:
Рисунок 3.5- Принципиальная схема удвоения напряженния и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя
Где, U2 –Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Отличительной особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки– другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем.
Преимущества: вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение.
Недостатки: значительные токи через вентили выпрямителя, Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двуполупериодных выпрямителей.
Эта же схема может использоваться еще в двух вариантах (рис. 3.6):
Рисунок 3.6.- Дополнительные варианты схемы
Левая схема предназначена для получения двух напряжений питания одной полярности, правая – для получения двуполярного напряжения с общей точкой.
Во втором варианте схемы характеристики выпрямителя соответствуют характеристикам однополупериодного выпрямителя.
Трехфазная мостовая схема выпрямления
Трехфазные выпрямители по сравнению с однофазными выпрямителями имеют меньшую пульсацию выпрямленного напряжения и могут использоваться без фильтров. Кроме этого трехфазные выпрямители имеют более высокие энергетические показатели.
Наибольшее распространение получила трехфазная мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (рис. 2.5,а), Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова) содержит выпрямительный мост из шести вентилей. Вентили V2, V4, Vб, у которых электрически соединены анода, образуют анодную группу. Вентили V1, VЗ, V5 с объединенными катодами образуют катодную группу. Нагрузку включают между точками соединения катодов и анодов вентилей.
В любой момент времени работают два вентиля. В катодной группе в открытом состоянии будет находиться вентиль с наибольшим положительным потенциалом на аноде, в анодной группе работает вентиль, катод которого имеет наиболее отрицательный потенциал. Например, после момента времени ωt1 наибольший положительный потенциал имеет фаза а, поэтому в катодной группе работает вентиль V1, а наибольший отрицательный потенциал имеет фаза «b», поэтому в анодной группе работает вентиль V4 (рис. 2.5,6). Отметим на временных диаграммах фазных напряжений (рис. 2.5,6) интервалы проводимости вентилей: на интервале ωt1 — ωt2 проводят вентили VI, V4, на интервале ωt2 — ωt3 — вентили V1, Vб, на интервале, ωt3 — ωt4 — вентили V6, VЗ, на интервале и ωt4— ωt5 — вентили V3, V2 и т.д. Таким образом, интервал проводимости каждого вентиля составляет 2π/3, а интервал совместной работы двух вентилей равен 2π/6. За период напряжения питания происходят шесть переключений вентилей, т. е. частота пульсации выпрямленного напряжения U0 равна 6f сети (300 Гц).
Среднее значение выпрямленного напряжения определяют по формуле:
U2 — фазное напряжение питания, U2л — линейное напряжение.
Максимальное обратное напряжение в данном случае равно амплитудному значению линейного напряжения
Uo6p max=U2лm=√6U2=l,045U0.
Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения определяют по формуле:
где т = 6 — число фаз.
Описание работы
При исследовании одно- и трехфазных выпрямителей в работе измеряют и рассчитывают основные параметры, снимают осциллограммы напряжений и внешние характеристики при чисто активной нагрузке и с емкостным фильтром, делают выводы.
Исследование однофазных выпрямителей. В работе используют следующие блоки стенда: ИсН1, АВ1, АВ2, ИзмВ, а также сменную панель 17Л-03/18 и съемные элементы V1 — V4 — диоды типа КД103А, резисторы Rн = 100 Ом, 200 Ом, 360 Ом, 620 Ом, 750 Ом, I кОм и осциллограф типа CI-55. Для исследования однофазного выпрямителя, выполненного по мостовой схеме, собирают цепь, схема которой приведена на рис, 2.6 (конденсатор Сф не устанавливают).
В качестве источника питания используют блок ИсН1. Напряжение U2, снимают о гнезд «15 В» и «Общ» и измеряют ИзмВ, установив переключатель блока в положение «Исh2».
Для измерения тока используют прибор АВ1, который работает в режиме амперметра постоянного тока. Для измерения напряжения U0 на нагрузке параллельно ей включают АВ2, который работает в режиме вольтметра постоянного тока.
Для измерения среднего значения выпрямленного напряжения UQ, амплитудного значения напряжения U2m, максимального обратного напряжения Uобр maxи снятия осциллограмм устанавливают резистор RH = 360 Ом. Измерения этих напряжений выполняют c помощью осциллографа. Результаты измерений заносят в табл. 2.1
В табл. 2.1 заносят результаты расчета U2m,U0, иUобрmax по следующим формулам:
U2m=√2U2;
U0 =0,636 U2m,
Uобр mах = 1,57 U0;
Uобр max =U2m
где U2m — амплитудное значение напряжения U2, измеренное по осциллографу
U2m,B | Uo, В | U*обр max | |
при U2= В | |||
Расчетное значение | |||
Показания осциллографа | |||
Показания вольтметра АВ2 |
Таблица 2.1
Определение амплитудного, среднего и обратного значений напряжений
U*обр max — два значения напряжения, вычисленные по выше приведенным формулам.
В табл. 2.1 заносят результат измерения U0 по вольтметру АВ2.
Осциллограмму выпрямленного напряжения зарисовывают на кальку. На осциллограмме указывают амплитудное и среднее значения напряжения.
Внешнюю характеристику однофазного выпрямителя снимают для 5—6 значений сопротивления нагрузки Rн (200 Ом, 360 Ом, 620 Ом, 750 Ом, I кОм)
Таблица 2.2
Внешние характеристики
Характер нагрузки | Rн, Ом | 1000 | 750 | 620 | 360 | 200 | 100 |
Активная | U0,B Iо, ма, U2,В | ||||||
Актвно-емкостная Сф = 50 мкФ | U0, B Iо, ма U0,B |
Осциллограмму выпрямителя с емкостным фильтром снимают на кальку при RH =360 Ом, на которой обозначают: U0; Umax; Umin.
Для определения коэффициента пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром по осциллографу измеряют Umax и Umin. Коэффициент пульсаций определяется для трех значений Rн и вычисляется по формуле:
Umax и Umin— показания осциллографа.
Результаты измерений заносят в табл. 2.3.
Таблица 2.3
Определение коэффициента пульсаций выпрямителя с емкостным фильтром
Rн, Ом | Показания осциллографа | ||
Umax, В | Umin,B | U0, B | |
100 | |||
360 | |||
1000 |
6 Однофазная мостовая схема выпрямления
Данная схема, как я предыдущая, позволяет получить двухполупериодное выпрямление. Она содержит трансформатор и четыре диода, два из которых, соединяясь анодами, образуют общий минус выпрямителя, а два другие, соединяясь катодами, образуют общий плюс выпрямителя (рисунок 6.1, а).
Рисунок 6.1 – Мостовая схема выпрямителя (а), диаграммы напряжений и токов (б)
В первый полупериод, когда потенциал точки а положителен, а точки б — отрицателен, диоды VD1 VD3 будут открыты, а диоды VD2, VD4 закрыты (находятся под обратным напряжением). В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном сплошными стрелками (рисунок 6.1, а).
Во второй полупериод, когда потенциал точки б становится положительным, а точки а — отрицательным, открываются диоды VD2, VD4, а диоды VD1, VD3 оказываются закрытыми и находятся под обратным напряжением. В результате ток по схеме пойдет в направлении, показанном пунктирными стрелками. Как видно из рисунка 6.1, а, направление токов Iо, протекающих через нагрузку в течение обоих полупериодов, совпадает, т.е. в схеме имеет место двухполупериодное выпрямление, как и в схеме со средним выводом (двухфазной).
На рисунке 6.1,б показаны графики выпрямленного напряжения u0 и выпрямленного тока i0. Так как падение напряжения на обмотках трансформатора и в диодах принято равным нулю, то форма выпрямленного напряжения повторяет форму напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора u0, являясь огибающей положительных полусинусоид напряжения u2. График выпрямленного тока i0 соответствует графикам токов диодов и вторичной обмотки трансформатора и определяется соотношением
i0=u0/RH
Как видно из схемы (рисунок 6.1, а) токи i’2 и i»2 протекают по вторичной обмотке трансформатора в разных направлениях и результирующий ток i2 не содержит постоянной составляющей, поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в данной схеме отсутствует. Ток в первичной обмотке будет синусоидальным, а трансформатор работает в течение обоих полупериодов так, как если бы он был нагружен лишь на активное сопротивление.
Так как вторичная обмотка трансформатора работает полностью в течение каждого полупериода напряжения u2 то для получения одинаковых выпрямленных напряжений u0 в данной схеме и в двухфазной достаточно, чтобы напряжение u2 мостовой схемы было равно напряжению одной из полуобмоток трансформатора двухфазной схемы. Это обусловливает вдвое меньшее число витков вторичной обмотки и вдвое меньшее обратное напряжение
Uобр и п.=U2m.
Однако во вторичной обмотке протекает ток i2, действующее значение которого I2 больше, в полуобмотках двухфазной схемы, поэтому требуется применить провод большего диаметра.
Сравнивая мостовую схему с двухфазной (схема с выводом нулевой точки), можно отметить следующее: значения коэффициентов пульсации и частоты пульсации у этих схем одинаковые.
Достоинства мостовой схемы заключаются в следующем: размеры и масса трансформатора меньше вследствие лучшего использования обмоток, число витков вторичной обмотки в два раза меньше, габаритная мощность трансформатора на 20 % меньше и проще его схема, так как не требуется делать вывод средней точки. К преимуществам данной схемы можно отнести также возможность ее работы без трансформатора и, если значение выпрямленного напряжения соответствует напряжению сети, а цепь нагрузки не исключает электрической связи с сетью переменного тока, то схема выпрямления (диоды) может включаться непосредственно в сеть, т. е. точки а и б схемы (рисунок 6.1, а) присоединяются к сети переменного тока.
Недостатками схемы являются: увеличенная стоимость, определяемая наличием в ней четырех диодов, а также увеличенные потери напряжения и мощности в схеме, определяемые увеличенным внутренним сопротивлением (одновременно работают два диода схемы).
Мостовой выпрямитель принцип действия | Техника и Программы
April 22, 2010 by admin Комментировать »Устройства выпрямления, детектирования и смешивания сигналов можно строить на основе мостовых схем. Типичной схемой такого рода является схема диодного выпрямителя, показанная на рис. 9.7. В этой схеме переменное напряжение, прикладываемое к противоположным узлам диодного моста, преобразуется в пульсирующее выпрямленное напряжение, снимаемое с двух других узлов. При включении нагрузочного резистора RH выделяемое на нем пульсирующее напряжение является униполярным, что характерно для двухполупериодного выпрямления (см. гл. 10).
Рис. 9.7. Мостовой выпрямитель.
При действии на входе полуволны переменного напряжения положительной полярности зажим Т1будет положителен по отношению к зажиму 7Y В этом случае электроны поступают на зажим Т2и выводятся через зажим Т1. Электроны от зажима Т2поступают на узел с диодами Д3 и Д4, причем только Д3 имеет нужное для проводимости направление включения. Поэтому электроны движутся, пройдя через этот диод, к узлу с диодами Д3 .и Дь Полярность напряжения, приложенного к диоду Дь является запирающей, так что электроны от этого узла поступают на резистор в направлении, указанном на рис. 9.7 штриховой линией. При протекании тока через резистор RH на последнем возникает падение напряжения (полярность указана на рисунке). После прохождения через резистор электроны достигают узла с диодами Д2 и Д4. Но только на диоде Д2 действует отпирающее напряжение, позволяющее электронам двигаться к выводу Т1, потенциал которого положителен при данной полуволне переменного тока. Диод же Д4 оказывается запертым, так как потенциал T2 отрицателен.
В течение следующего полупериода «изменения входного напряжения потенциал зажима Т1отрицательный, а зажима Т2 положительный. Поэтому электроны от зажима TI перемещаются к узлу с диодами Д] и Д2, и, поскольку нужную для проводимости полярность включения имеет лишь диод Д]? электроны проходят через этот диод и опять поступают на резистор RH, создавая на нем падение напряжения той же полярности, что и в первом случае. Далее электроны, как и прежде, поступают на узел с диодами Д2 и Д4, однако к зажиму Т2они проходят через диод Д4. Таким образом, поскольку мостовой выпрямитель использует каждый полупериод входного переменного напряжения и поворачивает фазу колебаний отрицательной полярности для получения униполярного пульсирующего напряжения на выходе схемы, он обеспечивает двухполупериодное выпрямление.