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 U_ab

.

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 i_d, который проходит через диод и нагрузка R оказывается под напряжением U_d.

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

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

.

Среднее значение выпрямленного напряжения U_d  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 U_d представлено в виде площади прямоугольника (оранжевая штриховка) с высотой U

d и основанием 2π. Эта площадь равна площади выпрямленной полуволны (зеленая штриховка).

Ток i_d повторяет по форме напряжение u_d, 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 u_ab.

Задерживая подачу управляющего импульса на угол α относительно нулевого значения напряжения u_ab, можно изменять выпрямленное напряжение u

d. Нетрудно заметить, что чем больше угол α, тем позже открывается тиристор VS, а следовательно, меньше значение выпрямленного напряжения u_d. 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 I_d, 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: 3680

Трехфазный однополупериодный выпрямитель

Схемы выпрямителей, работающих от трехфазной сети переменного тока, строятся по тем же принципам, что и однофазные выпрямители. Для получения схемы трехфазного однополупериодного выпрямления необходимо использовать три однополупериодных выпрямителя, питающих единую нагрузку, но запитываемых от трех фаз источника входного напряжения со средней точкой (Рис. 5).

Рис. 5

Три диода выпрямителя открываются по очереди в течение одной трети периода колебаний входного напряжения каждый.

При рассмотрении схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя для расчета среднего напряжения нагрузки использовалась формула:

Не трудно показать, что если в общем случае за период колебания входного напряжения Т будут последовательно (но не одновременно) проводить ток n диодов, то:

При этом первой из присутствующих на выходе гармоник переменного напряжения будет гармоника с номером n, т.е. основная частота пульсаций на выходе выпрямителя будет в n раз выше частоты колебаний входного напряжения.

Используя приведенную формулу и проведя разложение выходного напряжения выпрямителя в ряд Фурье, можно получить обобщенные выражения для среднего значения выходного напряжения U_{н cp,} амплитуды первой из присутствующих гармоник U _{max 01}и коэффициента пульсаций выпрямителя K

_п.

(1)

В случае трехфазного однополупериодного выпрямителя n = 3 и согласно (1):

Здесь U_{вх ф max}— амплитуда фазного напряжения на входе выпрямителя. Основная частота пульсаций выходного напряжения равна утроенной частоте входного сигнала.

Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения на входе выпрямителя, т.е.

К недостаткам данной схемы следует отнести плохое использование трансформатора, который работает с подмагничиванием постоянным током (это явление описывалось при рассмотрении однофазного однополупериодного выпрямителя), и повышенное обратное напряжение на диодах.

Трехфазный двухполупериодный выпрямитель

Схема трехфазного двухполупериодного выпрямителя (т.н. схема Ларионова) и диаграммы, поясняющие его работу, представлены на рис. 6. Эта схема требует для своего построения шесть полупроводниковых диодов. Она инвариантна к способу соединения первичных и вторичных обмоток силового трансформатора («звезда» или «треугольник»).

Рис. 6

Поскольку в представленной схеме используется обе полуволны питающего трехфазного напряжения, выпрямленное напряжение отличается более высоким качеством. Очевидно, что и здесь применимы соотношения (1), в соответствии с которыми (учитывая, что в данном случае n = 6):

где U_{вх ф max}— амплитуда фазного напряжения на входе выпрямителя. Основная частота пульсаций выходного напряжения в шесть раз превышает частоту входного сигнала.

Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения на входе выпрямителя, т.е.

Таким образом, при наличии шести последовательно коммутируемых диодов амплитуда первой из присутствующих на выходе выпрямителя гармоник составляет около 5,7% от среднего значения выходного напряжения (это говорит о высокой эффективности схемы Ларионова). Очевидно, что при увеличении числа фаз входного напряжения (например, до шести) аналогичная схема с большим числом диодов (12 для шестифазного двухполупериодного выпрямителя) будет еще более эффективной.

Трехфазный однополупериодный выпрямитель

Данная схема содержит трехфазный трансформатор и три диода (рис.1,а). Первичные обмотки трансформатора могут быть соединены звездой или треугольником, вторичные обмотки соединяются только звездой с выводом нулевой точки. Нагрузка R_н включается между точкой соединения диодов и нулевым выводом. Таким образом, трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом является сочетанием трех однофазных выпрямителей, питающихся тремя симметричными напряжениями (последние сдвинуты на 120°) и работающих на общую нагрузку.

Рис.1.Трехфазная однополупериодная схема (а) и диаграммы токов и напряжений в ней.

В данном выпрямителе в любой произвольно выбранный момент времени открыт (проводит ток) тот диод, анод которого находится под наибольшим положительным потенциалом. Аноды двух других диодов будут иметь меньший потенциал (рис.1, а), и эти диоды будут закрыты, поскольку наибольший потенциал открытого диода окажется запирающим для двух других. Например, в течение промежутка времени t₁—t₂ (т. е. в течение ¹/з периода) наибольшим положительным потенциалом обладает точка А — анод диода VD₁ (рис.1,б). Через VD₁, R_H и первую фазную обмотку (А) трансформатора протекает ток i₁=i₀ =i_A. Точка соединения катодов окажется под потенциалом точки А схемы. Следовательно, VD₂ и VD₃ будут заперты, так как потенциалы их анодов (точки В и С) в этот промежуток времени будут меньше потенциала точки А (рис.1,б). В течение промежутка t₂—t₃ наибольший положительный потенциал будет на аноде VD₂ (точка В), следовательно VD₂ проводит ток, а VD₁ и VD₃ заперты. В течение промежутка t₃—t₄ работает VD₃, a VD₁, VD₃ заперты и т.д.

Таким образом, VD₁ VD₂, VD₃ работают поочередно, каждый в течение ¹/з периода; при этом на нагрузку работают соответствующие фазные обмотки трансформатора.

Так как падение напряжения в обмотках трансформатора и вентилях идеализированной схемы считается равным нулю, то форма выпрямленного напряжения и₀ (рис.1,б) имеет форму огибающей фазовых напряжений вторичных обмоток трансформатора (u_А, u_B, u_C).

Графики i₁, i₂, i₃, а также график выпрямленного тока i_о исходя из допущения об идеальных диодах и трансформаторе определяются соотношением

Обратное напряжение на диоде определяется исходя из того, что к электродам закрытых диодов приложена разность потенциалов, соответствующая линейному напряжению вторичных обмоток трансформатора.

Каждая фазная обмотка трансформатора данной схемы работает лишь один раз в период в течение ¹/з его длительности (рис.1,б), при этом ток протекает по ней только в одном направлении. Поэтому появляющаяся в этом случае постоянная составляющая тока вызывает вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора. Для устранения подмагничивания вторичные обмотки выполняются в виде отдельных секций, которые соединяются по схеме «зигзаг», благодаря чему магнитные потоки, создаваемые в каждом из стержней постоянной составляющей тока, взаимно компенсируются.

Применение трехфазной схемы позволяет уменьшить габариты и массу сглаживающего фильтра вследствие увеличения частоты пульсации в 1,5 раза и уменьшения коэффициента пульсации К_п0,3 более чем в 2,5 раза.

Основным недостатком данной схемы является вынужденное подмагничивание магнитопровода, однако этот недостаток устраняется применением схемы «зигзаг».

По трехфазной однополупериодной схеме выполняются выпрямители средней и большой мощности.

Как работает однополупериодный выпрямитель | Volt-info

Однополупериодный выпрямитель, это примитивная схема, имеющая всего один ключевой элемент – выпрямительный диод, предназначенная для выделения из переменного тока постоянной составляющей одного направления.

Зная, как работает выпрямительный диод, разбираться в работе выпрямителя уже не придётся, поскольку вся схема и есть этот самый диод. Но если Вы новичок – добро пожаловать в тему!

Рисунок 1. Схема включения выпрямительного диода в цепь.

Обратим внимание на рисунок 1. Генератор G1 вырабатывает прямоугольные импульсы различной полярности. Между импульсами сформированы промежутки, когда напряжение генератора равно нулю. Импульсы с напряжением выше нуля Вольт условно назовём положительными и на диаграммах будем выделять красным цветом, ниже нуля – отрицательными и покажем их синим цветом.

 

В период действия «положительного» импульса верхний вывод генератора по схеме имеет положительную полярность (плюс), нижний – отрицательную. В период действия «отрицательного» импульса на верхнем вводе генератора по схеме возникает «плюс», на нижнем – «минус».

Рисунок 2. Схема измерения напряжений элементов схемы.

Для лучшего понимания поясняющих диаграмм обратимся к рисунку 2. Здесь мы выделили отдельные узлы, имеющие логические обозначения: Ф и Н соответственно фаза и нейтраль генератора G1, а Ср – средняя точка, или точка соединения диода с лампой. Эти узлы отделяют все три элемента схемы, благодаря чему мы можем измерить напряжение в процессе работы схемы на каждом элементе в отдельности, подключая вольтметры к этим узлам.

 

Чтобы ещё лучше понять схему, рассматривайте цепочку диод-лампа VD1-HL1 как резистивный делитель напряжения, один из резисторов которого (диод) имеет несимметричную нелинейную вольтамперную характеристику, или упрощённо – при прямом напряжении сопротивление минимально, а при обратном напряжении – бесконечно велико.

Рисунок 3. Диаграмма, поясняю-щая работу однополупериодного выпрямителя.

Представим, что у нас есть три вольтметра с двусторонней симметричной шкалой, по которой мы можем определить и величину напряжения, и полярность по направлению отклонения стрелки. Те, кто уже знаком с осциллографом, представьте, что вместо вольтметров подключены осциллографы, а рассматриваемые далее диаграммы ни что иное, как осциллограммы напряжений на элементах схемы.

Вольтметр (осциллограф) UG1 показывает напряжение на выводах генератора G1. UVD1 измеряет падение напряжения на диоде VD1, а UHL1 напряжение на лампе HL1.

Начнём. Процесс работы цепи отображает диаграмма на рисунке 3. В первоначальный момент времени на выводах генератора нет напряжения, т.е. ноль, который мы наблюдаем до первого импульса. Первый импульс напряжения генератора UG1 положительный и имеет величину 10 В (значения даны для примера). При его появлении диод оказывается под прямым напряжением, его сопротивление становится очень малым, он открывается, проводя ток, который будет зависеть от суммы сопротивлений диода и лампы. Поскольку прямое напряжение диода почти не зависит от тока, на нём будет наблюдаться падение напряжение UVD1, приблизительно равное 0,6 В (справочная величина для каждого диода), а на лампе возникнет разность напряжений UHL1=UG1-UVD1=10-0,6=9,4 В.

Рисунок 4. Диаграмма, поясня-ющая работу однополупериод-ного выпрямителя.

По завершению импульса напряжение ан генераторе снова упадёт до нуля. Эта пауза продлится до следующего импульса, имеющего отрицательную полярность. При импульсе напряжения на генераторе отрицательной полярности диод оказывается под обратным напряжением, при котором его сопротивление становится бесконечно большим. В результате на диоде возникает падение напряжения, практически равное по величине напряжению генератора, а на лампе – ноль (в идеальном случае, реально на лампе будут микровольты, обусловленные токами утечки диода, которыми в данном случае пренебрегаем).

Рисунок 5. Анимация.

Так, рассматривая диаграмму напряжения на нагрузке HL1, мы можем отметить, что нагрузка всегда оказывается включенной на напряжение положительной полярности генератора, и отключена при появлении напряжения отрицательной полярности. Т.е. через лампу будет протекать ток только одного направления (оного полупериода), имея такой же импульсный характер, как и напряжение на лампе.

Собственно, так и работает однополупериодный выпрямитель, роль которого в нашем случае выполняет диод VD1.

Что касается рассмотрения работы выпрямителя при синусоидальной форме кривой переменного напряжения генератора, то принцип по сути тот же самый, только форма кривой напряжения на элементах будет пропорционально повторять форму синусоидальной кривой напряжения генератора (рисунок 4).

На рисунке 5 представлена анимация процесса работы однополупериодного выпрямителя.

 

Выпрямители: Трехфазный однополупериодный выпрямитель — Club155.ru

 

Схемы выпрямителей, работающих от трехфазной сети переменного тока, строятся по тем же принципам, что и однофазные выпрямители. Для получения схемы трехфазного однополупериодного выпрямления необходимо использовать три однополупериодных выпрямителя, питающих единую нагрузку, но запитываемых от трех фаз источника входного напряжения со средней точкой (рис. 3.4-11). При таком включении для каждого из трех источников напряжения характерно то, что ток из него поступает в нагрузку только во время одного из двух полупериодов колебаний напряжения (точнее в течение части времени этого полупериода). Три диода выпрямителя открываются по очереди в течение одной трети периода колебаний входного напряжения каждый.

 

Рис. 3.4-11. Трехфазный однополупериодный выпрямитель

 

При рассмотрении схемы однофазного двухполупериодного выпрямителя для расчета среднего напряжения нагрузки использовалась формула:

\( U_{н ср} = \cfrac{2}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T/2} U_{вх max} \sin{(\omega t)} \operatorname{d}t = \cfrac{2}{T} {\huge \int \normalsize}_{-T/4}^{T/4} U_{вх max} \cos{(\omega t)} \operatorname{d}t\)  

 

Не трудно показать, что если в общем случае за период колебания входного напряжения \(T\) будут последовательно (но не одновременно) проводить ток \(n\) диодов, то:

 \( U_{н ср \Sigma} = \cfrac{n}{T} {\huge \int \normalsize}_{-T/2n}^{T/2n} U_{вх max} \cos{(\omega t)} \operatorname{d}t\) 

При этом первой из присутствующих на выходе гармоник переменного напряжения будет гармоника с номером \(n\), т.е. основная частота пульсаций на выходе выпрямителя будет в \(n\) раз выше частоты колебаний входного напряжения.

Используя приведенную формулу и проведя разложение выходного напряжения выпрямителя в ряд Фурье, можно получить обобщенные выражения для среднего значения выходного напряжения (\(U_{н ср}\)), амплитуды первой из присутствующих гармоник (\(U_{max 01}\)) и коэффициента пульсаций выпрямителя (\(K_п\)).

\( U_{н рс} = \cfrac{n \cdot U_{вх max}}{\pi} \sin{(\pi / n)}     U_{max 01} = \cfrac{2 \cdot U_{н ср}}{n^2 -1}     K_п = \cfrac{2}{n^2 — 1} \)     (3.4.3)

 

В случае трехфазного однополупериодного выпрямителя \(n = 3\) и согласно приведенных формул:

\( U_{н ср} = \cfrac{3 \cdot U_{вх ф max}}{\pi} \sin{(\pi / 3)} \approx 0,827 \cdot U_{вх ф max}     K_п = \cfrac{2}{3^2 — 1} = 0,25 \) 

Здесь \(U_{вх ф max}\) — амплитуда фазного напряжения на входе выпрямителя. Основная частота пульсаций выходного напряжения равна утроенной частоте входного сигнала.

 

Максимальное обратное напряжение на каждом диоде равно амплитуде линейного напряжения на входе выпрямителя, т.е.:

\( U_{обр max} = U_{вх л max} = \sqrt{3} \cdot U_{вх ф max} \approx 2,1 \cdot U_{н ср}\) 

 

К недостаткам данной схемы следует отнести плохое использование трансформатора, который работает с подмагничиванием постоянным током (это явление описывалось при рассмотрении однофазного однополупериодного выпрямителя), и повышенное обратное напряжение на диодах.

 

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Однополупериодный выпрямитель, принцип его работы и схема

Питание электронных схем самого различного назначения требует источника постоянного напряжения. В обычной бытовой сети ток переменный, его частота в большинстве случаев 50 Гц. Форма графика изменения величины напряжения представляет собой синусоиду с периодом в 0,02 секунды, при этом один полупериод оно относительно нейтрали положительное, второй – отрицательное. Для решения задачи его преобразования в постоянную величину применяются выпрямители переменного тока. Они бывают разной конструкции, и их схемы могут отличаться.

Для того чтобы понять, как работает самый простой однополупериодный выпрямитель, нужно сначала разобраться в природе электрической проводимости. Ток есть направленное движение заряженных частиц, которые могут иметь противоположную полярность, условно их делят на электроны и дырки, иначе – доноры и акцепторы, имеющие проводимости «n» и «p» типов соответственно. Если материал с n-проводимостью соединить с другим, p-типа, то на их границе образуется так называемый p-n-переход, ограничивающий движение заряженных частиц одним направлением. Это открытие позволило использовать полупроводниковую технику, заменив ею большинство ламповой электроники.

Однополупериодный выпрямитель в своей основе содержит диод, устройство с одним p-n переходом. Переменное напряжение, поступающее на вход схемы, на выходе содержит лишь его половину, ту, которая соответствует направлению включения выпрямительного диода. Вторая часть периода, имеющая противоположное направление, просто не проходит и «срезается».

На схеме изображен однофазный выпрямитель, применяемый чаще всего в простых домашних устройствах и предназначенный для бытовых целей. В промышленных условиях часто используется трехфазная сеть, поэтому и схемы преобразования переменного тока в постоянный могут быть сложнее. Кроме того, как правило, в цепь включают предохранители и фильтры. На входе схемы может включаться понижающий трансформатор или другой источник переменного напряжения. Выпрямительные диоды различаются по своим параметрам, главным из которых является величина тока, на которую диод рассчитан.

Однополупериодный выпрямитель имеет существенный недостаток по сравнению с двухполупериодным. Напряжение после выпрямления не является в буквальном смысле постоянным, оно пульсирует от максимальной величины до нуля по полусинусовидной форме графика и имеет в промежутке между импульсами нулевое значение. Такую неравномерность подачи обычно компенсируют включением сглаживающего конденсатора довольно большой величины (иногда измеряемой в тысячах микрофарад), рассчитанного на напряжение не меньшее, чем возникает на выходе схемы, как правило, с запасом. Такая мера также не обеспечивает идеальной ровности графика, но величина отклонений от заданного значения значительно снижается, что дает возможность применять однополупериодный выпрямитель для запитывания простых схем, не требующих высокой стабильности напряжения.

В более сложных случаях используются двухполупериодные схемы выпрямления с последующей стабилизацией.