Двухполупериодный выпрямитель: схемы, принцип работы

Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники.

В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них. Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств.

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.

Схема: простейший преобразователь

Обозначения:

• Tr – трансформатор;
• DV- вентиль (диод);
• Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
• Rn – подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Пояснение:

• в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
• U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
• Un – осциллограмма на нагрузке.

Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время  отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны  —  это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.

Принцип действия двухполупериодной схемы

Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.

Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом

Используемые элементы:

• Tr – трансформатор, у которого имеются две одинаковые вторичные обмотки (или одна с отводом по середине);
• DV1 и DV2 – вентили (диоды);
• Cf – емкостной фильтр;
• Rn – сопротивление нагрузки.

Приведем сразу для наглядности осциллограмму в контрольных точках.

Диаграмма прибора балансного типа

• U1 – осциллограмма на входе;
• U2 – график перед емкостным фильтром;
• Un – диаграмма на выходе устройства.

Данная схема — это два совмещенных однополупериодных преобразователя, то есть на два раздельных источника приходится одна общая нагрузка. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Из него видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.

Осциллограмма наглядно демонстрирует преимущества такого устройства, а именно, следующие факты:

• частота пульсаций на выходе устройства удваивается;
• уменьшение «провалов» между импульсами допускает использование меньшей фильтрующей емкости;
• двухтактный преобразователь обладает большим КПД, чем однополупериодный.

Теперь рассмотрим мостовой тип, он изображен на рисунке ниже.

Схема: Пример использования диодного моста

Осциллограмма устройства мостового типа практически не отличается от балансного, поэтому приводить ее нет смысла. Основное преимущество такой схемы – нет необходимости использовать более сложный трансформатор.

• Видео: Двухполупериодный выпрямительный мост
• Преобразователи, где используется полупроводниковый диодный мост, широко применяются как в электротехнике (например, в аппаратах для сварки, где номинальный ток может доходить до 500 ампер), так и радиоэлектронике, в качестве источника для слаботочных цепей.
• Заметим, что помимо полупроводниковых можно использовать и вакуумные диоды – кенотроны (ниже показан пример схемы такого устройства).

Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

Собственно, представленная схема – это классическая реализация балансного преобразователя двухполупериодного типа. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не применяются, их заменили полупроводниковые аналоги.

Как организовать двухполярное питание

Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.

Схема: пример преобразователя с двухполярным выходом

Как реализовать удвоение напряжения

Ниже представлена схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение, вдвое выше исходного.

Схема с удвоением напряжения

Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а поскольку они расположены последовательно, то, по итогу, на «Rn» суммарное напряжение будет вдвое выше, чем на входе.

В преобразователе с таким умножителем можно применять трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.

Использование операционных усилителей

Как известно, у диодов вольтамперная характеристика нелинейная,  создавая однофазный прецизионный (высокоточный) выпрямитель двухполупериодного типа на микросхеме ОУ, можно существенно снизить погрешность. Помимо этого, имеется возможность создать преобразователь, позволяющий стабилизировать ток на нагрузке. Пример схемы такого устройства показан ниже.

Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе

На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем ОУ — это управляемый по напряжению источник. Такая реализация позволяет добиться, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потери напряжения на нагрузке Rн и диодном мосту D1-D4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно незначительно усложнить, добавив в нее стабилитрон. Он подключается параллельно сглаживающей емкости.

Кратко об управляемых преобразователях

Нередко требуется управлять напряжением на выходе преобразователя, не изменяя входное. Для этой цели наиболее оптимальным будет применение управляемых вентилей, пример такой реализации показан ниже.

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

Трехфазный выпрямитель

Мы рассматривали различные реализации однофазных двухполупериодных преобразователей, но подобные устройства используются и для трехфазных источников. Ниже, в качестве примера, показано устройство, созданное по схеме Ларионова.

Пример реализации схемы Ларионова
Осциллограмма на выходе схемы Ларионова

Как показывает расположенный выше график, реализация мостовой схемы между парами фаз позволяет получить на выходе незначительные пульсации. Благодаря этому фильтрующую емкость можно существенно снизить, или вообще обойтись без нее.

Проектирование

Расчет даже простого двухполупериодного преобразователя является непростой задачей. Существенно упростить ее можно используя специальное программное обеспечение.  Мы рекомендуем остановить выбор на программе Electronics Workbench, которая позволяет выполнить схематическое моделирование аналоговых и цифровых электрических устройств.

Смоделировав в этой программе двухполупериодный выпрямитель можно получить наглядное представление о принципе его работы. Встроенные формулы позволяют рассчитать максимальное обратное напряжение для диодов, оптимальную емкость гасящего конденсатора и т.д.

Источник: https://www.asutpp.ru/dvuhpoluperiodnyj-vypryamitel.html

Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители переменного тока: схемы и принцип действия

Многие приборы и электросхемы рассчитаны на питание постоянным током.

Получают его путем выпрямления переменного, разными способами.

Этим занимаются специальные устройства — выпрямители переменного тока. Далее речь пойдет об их разновидностях.

Принцип действия

У переменного тока постоянно меняются два параметра:

Графическое представление этих изменений отображается синусоидой. Полуволны выше оси абсцисс, отображают движение заряженных частиц в положительном направлении, ниже — в противоположном, отрицательном.

Задача выпрямителя — сделать так, чтобы направление тока оставалось постоянным, то есть превратить его в однополярный, добиться этого можно несколькими способами:

1. отсечь отрицательные полуволны. Задействуется только половина вырабатываемой источником или генератором энергии. Поскольку ток действует только в одном полупериоде, такая схема выпрямления называется однополупериодной;
2. «опрокинуть» отрицательные полуволны относительно оси абсцисс, то есть превратить их в положительные. Вырабатываемая энергия задействуется в полном объеме и поскольку ток действует в течение обоих полупериодов, данную схему называют двухполупериодной.

На диаграммах обычно изображают выпрямленное напряжение, поскольку оно, в отличие от силы тока, не зависит от нагрузки.

Схемы выпрямителей

Схемы выпрямителей строятся на элементах с односторонней проводимостью (вентилях):

• современные низковольтные, в том числе используемые в быту: на полупроводниковых приборах — диодах и тиристорах (позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения);
• в старых устройствах и высоковольтные: на особой разновидности ламп — кенотронах.

Очевидно, что выпрямленный ток, независимо от способа выпрямления, является пульсирующим. Такую форму называют постоянно-импульсной. Некоторые потребители требуют сглаживания пульсаций, для чего схему дополняют конденсаторами.

То, какая схема выпрямления принята и какие элементы используются, влияет на характеристики выпрямителя:

1. номинальное постоянное напряжение на выходе и его разброс (диапазон изменений);
2. номинальный ток в обслуживаемой цепи;
3. входное переменное напряжения и его допустимые отклонения. Например, ~220 +/- 10%;
4. допустимая пульсация выпрямленного напряжения на выходе (частота и амплитуда);
5. нагрузочная характеристика;
6. внутреннее сопротивление;
7. коэффициент использования габаритной мощности трансформатора.

Схема выпрямления

Выше говорилось, что применяют две схемы выпрямления:

1. однополупериодную;
2. двухполупериодную.

• Также схемы по числу фаз делятся на:
• Каждый вариант стоит рассмотреть подробно.
• Для простоты понимания принципов работы выпрямителей, рассматриваются схемы для следующих условий:

1. преобразуемый переменный ток поступает со вторичной обмотки трансформатора. Это наиболее распространенный случай, ведь даже перед подачей в домашнюю электросеть высоковольтный ток преобразуется трансформатором подстанции;
2. выпрямитель питает активную нагрузку.

Однополупериодная

Самый простой вариант выпрямителя: последовательно с нагрузкой в цепь включают диод — полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, пропускающий ток в одном направлении. Каким контактом диод подключен к нагрузке (анодом или катодом) — не имеет значения.

Разница лишь в том, что в одном случае прибор пропускает положительные полуволны, в другом — отрицательные. Открывается диод при подаче на его анод положительного потенциала.

Однофазная однополупериодная схема

Характеристики данной схемы выпрямления:

1. среднее значение напряжения: Uср = 0.318 Umax, где Umax — максимальное напряжение, то есть амплитуда выпрямляемого переменного напряжения. Для однофазной сети с действующим напряжением Uд = 220 В Umax составляет 311 В. Если за основу берется действующее значение, формула имеет вид: Uср = 0,45 Uд;
2. коэффициент пульсаций. Характеризует качество работы выпрямителя. В данном случае этот параметр составляет 1,57;
3. максимальное обратное напряжение на диоде: Uобр = Umax = 3,14 Uср.

Достоинства схемы:

• используется всего один диод;
• малые потери мощности и падение напряжения на выпрямителе.

Недостатки:

• неэффективное использование трансформатора;
• значительное обратное напряжение на диоде;
• высокий коэффициент пульсаций;
• наличие постоянной составляющей в протекающем через вторичную обмотку токе, отчего ухудшаются свойства сердечника из-за его подмагничивания;
• при работе с токами частотой 50-60 Гц требуются сглаживающие фильтры с большими габаритами.

Область применения таких выпрямителей — импульсные блоки питания (работают на частоте 10 кГц) и схемы, потребляющие малые токи.

Двухполупериодная

По двухполупериодной схеме работают такие выпрямители:

• диодный мост;
• балансная схема.

Диодный мост представляет собой замкнутую последовательность из 4-х диодов. В одну диагональ получившегося четырехугольника включают нагрузку, другую — включают в цепь вторичной обмотки трансформатора.

Схема двухполупериодного выпрямителя

При любой полярности напряжения в цепи вторичной обмотки ток через нагрузку протекает в одном направлении:

• положительная полуволна: открываются диоды VD2 и VD3, а VD1 и VD4 закрываются (для них данное напряжение — обратное);
• отрицательная полуволна: ток течет через диод VD1, нагрузку и диод VD4, тогда как диоды VD2 и VD3 напряжением с данной полярностью закрываются.

Характеристики схемы:

1. среднее напряжение: Uср = 0,9 Uд = 0,636 Umax. Для сети с действующим напряжением Uд = 220 В Uср = 198 В;
2. коэффициент пульсаций: 0,67. Свидетельствует о более качественной работе в сравнении с однополупериодной схемой;
3. обратное напряжение на диодах: Uобр = Umax /2, то есть в два раза ниже, чем в однополупериодной схеме.

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Мостовая схема — наиболее распространенная. Для сглаживания пульсаций ее дополняют конденсатором. При отсутствии нагрузки, напряжение на конденсаторе равно не Uср, а Umax.

То есть если мультиметр отображает выпрямляемое переменное напряжение равным 12 В (действующее значение), то на конденсаторе напряжение составит около 17 В (амплитудное значение). При наличии нагрузки, потенциал на выводах конденсатора будет ниже, но не менее Uср. Конкретная величина зависит от емкости.

Подбирают:

• число витков вторичной обмотки, чтобы напряжение на конденсаторе не превысило допустимое;
• емкость конденсатора, чтобы напряжение под нагрузкой не оказалось слишком низким.

Протекающий через вторичную обмотку трансформатора и диоды ток, имеет вид импульсов сложной формы с амплитудой, намного превышающей средний ток нагрузки.

Это объясняется тем, что диоды открываются только на короткое время, когда мгновенное значение входного переменного напряжения превышает постоянное напряжение на выводах конденсатора (окрестность экстремумов синусоиды). Данное явление следует учитывать при расчете трансформатора.

Балансный выпрямитель (двухполупериодный со средней точкой) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, включенных параллельно во встречном направлении. Схема действует при наличии вывода в средней точке вторичной обмотки трансформатора. Каждая часть обмотки подключается к своему выпрямителю, то есть они задействуются поочередно.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Балансную схему почти не применяют из-за двух существенных недостатков:

1. высокая металлоемкость выпрямителя;
2. значительные потери на нагрев обмотки трансформатора.

Ее применение было оправдано во времена, когда диоды еще обходились довольно дорого и уменьшение их числа с 4-х до 2-х компенсировало затраты на увеличение количества меди во вторичной обмотке.

Существуют и комбинированные выпрямители, сочетающие в себе и мостовую, и балансную схемы. Они являются двухполярными и имеют общий провод для обоих выходных напряжений. Данный провод для одного выходного напряжения имеет положительный потенциал, для другого — отрицательный.

Однофазные

Они используются для питания потребителей небольшой мощности — не более нескольких сотен ватт. Это обмотки возбуждения мало- и среднемощных электродвигателей постоянного тока, различная электроника. Для более мощных потребителей применяют трехфазные выпрямители.

Трехфазные

Трехфазные выпрямители дают на выходе ток с меньшим коэффициентом пульсаций, чем однофазные. Это объясняется тем, что фазы частично перекрывают друг друга (смещение составляет 1200).

В ходе выпрямления, амплитуды фаз не складываются — только выделяется фаза с наибольшим на данный момент мгновенным значением. Трехфазные выпрямители также делятся на однополупериодные и двухполупериодные. Схема первого изображена на рисунке:

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

Тут же изображено напряжение на выходе. Как видно, оно представляет собой сумму вершин синусоид каждой фазы. При этом глубина пульсаций в сравнении с однофазными выпрямителями заметно ниже.

Используется шесть диодов, образующих две группы:

1. анодную: диоды VD2, VD4, VD6;
2. катодную: VD1, VD3, VD5.

Схема Ларионова

Нагрузка включается одним полюсом в точку соединения катодов, другим — в точку соединения анодов. Ток протекает по одному диоду из катодной группы и по одному из анодной. При этом диоды в группах через каждую треть периода меняются. Из катодной группы задействуется диод с наибольшим положительным потенциалом анода, из анодной — с наименьшим отрицательным потенциалом катода.

Достоинства схемы:

• низкий коэффициент пульсации: 0,057;
• возможность подключать обмотки трансформатора любым способом: «звездой» без нулевого провода или треугольником.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения. Вместо диодов применяются тиристоры — полупроводниковые приборы, открывающиеся по сигналу.

Задавая время открывания, можно отсекать большую или меньшую часть полуволны.

Однофазная двухполупериодная схема с общей точкой на тиристорах показана на рисунке.

От аналогичной схемы на диодах она отличается присутствием системы управления (СУ), формирующей импульсы для открывания тиристоров.

От времени подачи этого импульса (точки t0, t1, t2 и t3 на рисунке) зависит, какую часть полуволны пропустит тиристор. Это время, в свою очередь, зависит от сдвига по фазе управляющих импульсов относительно входного напряжения (угол регулирования или управления), задаваемого пользователем.

Применяются управляемые выпрямители, например, для таких целей:

• регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока;
• изменение яркости светильника;
• зарядка аккумуляторов.

Видео по теме

О выпрямителях переменного тока в видео:

Полупроводниковые и кенотронные выпрямители получили наибольшее распространение, но ими перечень подобных приборов не исчерпывается. Существуют электрохимические, игнитронные, газотронные и многие другие разновидности. Выбирать модель следует с учетом особенностей электропотребителя.

Источник: https://proprovoda.ru/provodka/vypryamiteli-peremennogo-toka.html

Схема двухполупериодного выпрямителя

Содержание:

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. Данные устройства имеют различные технические характеристики, что позволяет применять их практически при любых значениях токов.

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

Источник: https://electric-220.ru/news/skhema_dvukhpoluperiodnogo_vyprjamitelja/2016-05-30-969

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель — устройство или контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Двухполупериодный выпрямитель состоит из трансформатора с центральным отводом вторичной обмотки, двух диодов и сопротивления нагрузки.

Схема двухполупериодного выпрямителя
Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия двухполупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки положителен, а нижний конец вторичной обмотки отрицателен.

Диод D1 находится в состоянии прямого подключения, а диод D2 находится в состоянии обратного подключения, поскольку средняя точка отрицательна относительно положительной стороны вторичной обмотки и положительна относительно отрицательной стороны вторичной обмотки.

Ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D1 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL представляет собой положительную полуволну.

Путь тока через двухполупериодный выпрямитель: D1 находится в состоянии прямого подключения

В течение второй половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки отрицателен, а нижний конец вторичной обмотки положителен.

Диод D1 находится в состоянии обратного подключения, а диод D2 находится в состоянии прямого подключения.

Как изображено на рисунке 3-7, ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D2 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL снова представляет собой положительную полуволну.

Путь тока в двухполупериодном выпрямителе: D2 находится в состоянии прямого подключения

Поскольку ток протекает через сопротивление RL в одном и том же направлении в течение обеих половин цикла входного напряжения, через RL проходят две полуволны в течение каждого полного цикла. Тем не менее, поскольку у этого трансформатора есть средняя точка, падение напряжения на сопротивлении нагрузки представляет собой лишь

половину того, что могло бы быть, если бы нагрузка была соединена ко всей вторичной обмотке. Форма кривой выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя

Источник: https://www.kipiavp.ru/pribori/dvuhpoluperiodniy-vipryamitel.html

Выпрямитель, что может быть проще? Часть первая, описательно теоретическая

Выпрямитель. Казалось бы, что может быть проще? Основные схемы выпрямителей (без умножения напряжения) известны давно и во всех подробностях

Эти схемы выпрямления могут использоваться не только с трансформатором, но и без трансформатора (кроме схемы со средней точкой).

Данная статья носит по большей части описательный и теоретический характер.

И рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто не имеет профильного образования, но хочет получше узнать о процессах происходящих в выпрямителе при различных условиях работы.

Профессионалам и студентам радиотехнических и электротехнических специальностей ВУЗов она будет не интересна. Практические методики расчета выпрямителей я приведу в следующей статье, которая будет сугубо практической.

Сначала рассмотрим, как эти схемы выпрямителей работают на активную нагрузку. Рассмотрение будет довльно кратким, так это, действительно хорошо известно.

Затем рассмотрю работу выпрямителя (мостовую схему) на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки. Это соответствует двум способам сглаживания, уменьшения пульсаций, выпрямленного напряжения.

Не обойду стороной и влияние сопротивления источника на работу выпрямителя.

Но сначала напомню пару общих моментов. Коэффициент пульсаций Кп на выходе выпрямителя определяется как отношение амплитуда первой (основной) гармоники U1 к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

Постоянная составляющая U0 выпрямленного напряжения представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т

Все временные диаграммы в статье, для упрощения, получены на симуляторе TINA версии 9.3.200.277 SF-TI, а не сняты осциллографом с реальных схем.

Однополупериодный выпрямитель

В течении положительной полуволны входного переменного напряжения диод открыт и напряжение на нагрузке равно по величине входному напряжению, за вычетом падения напряжения на диоде, и совпадает с ним по форме. В течении обратной полуволны диод закрыт и напряжение на нагрузке можно считать нулевым.

На этой иллюстрации входное напряжение показано фиолетовом цветом, его амплитуда 10 В, а частота 50 Гц. Выпрямленное напряжение показано синим цветом. Хорошо видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше, чем входного. Однако, здесь не видно одной тонкости.

Диод открыт только когда к нему приложено достаточное напряжение (разное для Si и Ge). Я увеличил этот момент, что бы было видно. Линейный участок на графике выпрямленного напряжения, при приближении к нулевому уровню, не ошибка моделирования.

Он отражает процесс, в данном случае, закрывания диода.

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение, а не действующее. Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как выходное напряжение отлично от 0 только в течении половины периода.

Коэффициент пульсаций Kп=1.57. Вывод амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения я оставлю за скобками, так как это уже упражнение в математике и к теме статьи отношения не имеет.

Обратите внимание, что к диоду в закрытом состоянии прикладывается полное амплитудное напряжение. Например, для привычного действующего напряжения 220 В бытовой сети переменного тока амплитудное составит 310 В.

Кроме больших пульсаций выпрямленного напряжения однополупериодная схема обладает еще одним недостатком — она создает подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током, так как ток в обмотке протекает только в одном направлении. И это надо учитывать при расчете трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Фактически, является объединением двух однополупериодных выпрямителей, входной сигнал которых сдвинут на половину периода за счет использования вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки. Диоды в этой схеме открываются поочередно, каждый в свою половину периода.

Параметры входного напряжения и цвета кривых точно такие же, как и для однополупериодного выпрямителя. Хорошо видно, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте выходного переменного напряжения.

Видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше амплитуды входного из-за падения напряжения на диодах, как и для однополупериодного выпрямителя. Я не буду приводить увеличенного участка диаграммы, что бы показать моменты открывания и закрывания диодов.

Тут все в точности, как и в однополупериодном выпрямителе.

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора. Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как каждый из диодов открыт только половину периода. Коэффициент пульсаций Кп=0.67.

Двухполупериодная схема обеспечивает в два раза меньшие пульсации выпрямленного напряжения и исключает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, но имеет два существенных недостатка. Во первых, в два раза увеличиваются затраты на изготовление вторичной обмотки, да и места она занимает в два раза больше. Во вторых, к закрытому диоду приложено удвоенное амплитудное напряжение.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Очень популярная схема выпрямителя. Входное переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а выпрямленное снимается с другой

Временная диаграмма работы мостового выпрямителя похожа на диаграмму для двухполупериодного со средней точкой. Но в мостовой схеме ток нагрузки протекает через два диода, поэтому амплитуда выпрямленного напряжения меньше. И это хорошо видно на иллюстрации.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диодах, такая же, как для схемы со средней точкой

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент пульсаций Кп=0.67.

К закрытым диодам в мостовой схеме приложено полное амплитудное напряжение. Мостовая схема не подмагничивает сердечник трансформатора (если он используется) постоянным током и не требует дополнительных затрат на вторичную обмотку. Но в ней используется в два раза больше диодов, чем в схеме со средней точкой. И потери на диодах в два раза больше.

Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

Работа выпрямителя на активную нагрузку встречается не часто. Давайте сначала посмотрим, что изменится, если нагрузка активно-индуктивная. Например, обмотка реле, или последовательно с активной нагрузкой включен сглаживающий дроссель. Для краткости я буду рассматривать лишь мостовую схему.

Сначала приведу временные диаграммы для напряжений

Здесь коричневым цветом показано напряжение на активной составляющей нагрузки, Rн, а синим напряжение на выходе выпрямителя, то есть, на последовательно включенных Lн и Rн.

А теперь диаграммы токов

Здесь зеленым цветом показан ток в нагрузке (Lн+Rн). А красным ток во вторичной обмотке трансформатора, то есть, входной ток выпрямителя с нагрузкой. Там, где красная линия пропадает, она совпадает с зеленой. На значения токов можно не обращать внимания, но если кому то интересно, то для моделирования выбрано сопротивление нагрузки 10 Ом и индуктивность 20 мГн.

Интересная картина, правда? Почему же так получилось? Во время положительного полупериода входного напряжения открыты диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрыты. Когда полярность входного напряжения меняется диоды VD1 и VD4 закрываются, а VD2 и VD3 открываются. Но при этом ток в нагрузке сохраняет прежнее направление.

Если нагрузка активная, то ток в ней повторяет по форме напряжение, а ток вторичной обмотки, входной ток выпрямителя, имеет синусоидальную форму.

Однако, наличие индуктивности препятствует изменению тока и ток нагрузки будет отставать от напряжения. Кроме того, пульсации тока будут сглаживаться, что видно на графике токов (зеленая линия).

Если реактивное сопротивление индуктивности большое, примерно XL=ωпLн>10Rн (ωп частота пульсаций), ток нагрузки можно считать постоянным (пульсации отсутствуют), а следовательно и напряжение на активной составляющей нагрузки постоянно.

При активно-индуктивной нагрузке длительность проводящего состояния диодов равна длительности полупериода входного переменного напряжения.

Если принять потери в индуктивности нулевыми, ток нагрузки идеально сглаженным, то напряжение на активном сопротивлении нагрузки будет равно постоянной составляющей выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы выпрямителя. При этом к закрытым диодам прикладывается полное амплитудное входное напряжение, как и в обычной мостовой схеме.

Таким образом, индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя можно использовать для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Однако, форма входного тока в таком случае не будет синусоидальной.

Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку

Это гораздо более часто встречающийся случай. Почти всегда пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются подключенным параллельно нагрузке конденсатором

Давайте посмотрим на напряжения и токи в этом случае. Я приведу две диаграммы одну за другой. Сначала напряжения, затем входной ток выпрямителя

Как всегда, фиолетовая линия показывает входное напряжение выпрямителя, а синяя линия выпрямленное напряжение.

Хорошо видно, что входной ток выпрямителя, как и в случае активно-индуктивной нагрузки, перестал быть синусоидальным. Только теперь стремится не к прямоугольной, а к треугольной форме. В чем же дело в том случае?

В случае работы выпрямителя на емкостную нагрузку диоды будут открываться только тогда, когда входное напряжение превысит напряжение на конденсаторе.

При этом, в начальный момент времени, амплитуда тока будет определяться разностью входного напряжения и напряжения на конденсаторе приложенной к сумме сопротивлений диодов и приведенного суммарного сопротивления обмоток трансформатора. А если трансформатора нет, то только к сопротивлению диодов.

По мере заряда конденсатора и изменения напряжения на входе выпрямителя ток будет спадать. Когда входное напряжение станет ниже напряжения на конденсаторе диоды закроются и конденсатор начнет разряжаться на нагрузку.

Чем больше постоянная времени цепи разряда конденсатора, тем меньше пульсации выходного напряжения. Однако, форма входного тока в этом случае значительно отличается от синусоидальной. При этом амплитудное значение тока может быть весьма значительным, однако длительность этого пика мала.

Влияние сопротивления источника на работу выпрямителя

Во всех описанных выше случаях предполагалось, что источник напряжения, к которому подключен выпрямитель, обладает низким внутренним сопротивлением. А в случае трансформатора, что он способен отдать любой достаточный ток. Но что будет, если внутренне сопротивление источника не столь мало? Рассматривать эту ситуацию я буду на примере однополупериодного выпрямителя.

Здесь Rи это сопротивление источника или балластного резистора. Для определенности примем, что сопротивление нагрузки 1 кОм, а емкость конденсатора 100 мкФ. Сначала установим малое сопротивление источника, например, 1 Ом

Здесь зеленым цветом показано входное напряжение выпрямителя, а красным напряжение на нагрузке. Хорошо видно, что максимальное (пиковое) напряжение на нагрузке почти равно амплитудному значению входного напряжения и составляет 9.5 В. Разница объясняется падением напряжения на диоде.

А теперь увеличим сопротивление источника до 100 Ом, что составляет 10% от сопротивления нагрузки. Можно ожидать, что максимальное напряжение на нагрузке снизится тоже примерно на 10%, так как Rи и Rн образуют делитель напряжения. Однако

Сюрприз! Напряжение снизилось значительно сильнее и его максимальное значение составило всего 6.5 В вместо 9.5 В. В чем же дело? Давайте вспомним, что я писал о работе выпрямителя на активно-емкостную нагрузку.

Начальная амплитуда тока заряда емкости, в каждый полупериод, определяется сопротивлением диодов, обмоток трансформатора и напряжением на конденсаторе (точнее, разницей входного напряжения и напряжения на конденсаторе).

Если немного перефразировать, то получится, что начальная амплитуда тока заряда емкости определяется напряжением на конденсаторе и сопротивлением источника.

Вот мы и подошли к самому главному, к влиянию сопротивления источника. Если присмотреться внимательно, то напряжение на конденсаторе будет определяться скоростью заряда и скоростью разряда.

Или, постоянной времени цепи заряда и постоянной времени цепи разряда.

А мы увеличили постоянную времени заряда в 100 раз, что и оказало гораздо более значимое влияние, чем получившийся делитель (10%), на напряжение на конденсаторе.

Для двухполупериодного выпрямителя влияние сопротивления источника будет немного меньше, так как конденсатор подзаряжается два раза за период, а не один.

Ситуация с влиянием сопротивления источника показывает, что нужно понимать происходящие в схемах процессы. Хотя мозг иногда срабатывает «на автомате», упуская из виду значимые детали процессов в виду кажущейся шаблонности анализируемой схемы.

И я сам попался на эту уловку мозга допустив ошибку в анализе двух схем в статье Ругать или предлагать анализ и решение? О критике старых электронных схем, не обратив внимание на то, что сопротивление балластного резистора уже не позволяло его игнорировать. В той статье я сохранил ошибочный вариант указав верный в примечаниях в тексте сразу после ошибки. Что бы наглядно показать читателям, сколь легко допустить глупую ошибку буквально на ровном месте.

Заключение

В данной статье я постарался показать процессы в выпрямителях при работе на разные нагрузки, но так, что бы это было наглядно и понятно начинающим и не специалистам. Математики в статье мало и она очень простая. В следующей статье я приведу практические методики расчета.

Источник: https://zen.yandex.ru/media/id/5b935f60343d6c00a9f52b06/5ce5147d27b4d800b3a198eb

Двухполупериодный выпрямитель

Двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель представляет собой схему, которая преобразует переменное напряжение в постоянное.

Принцип работы заключается в бесконтактной коммутации применяемых контактов источника тока с переменным сигналом с дополнительной нагрузкой, при которой создается однополярное питание подключаемых приборов.

При незначительных мощностях нагрузочного тока, до 500-600 Ватт, конвертация сигнала проводится однофазными приборами. Сфера использования включает обмотки старта электрических двигателей и различных электронных приборов.

На схеме выше присутствует диодный мост, подключенный к генератору переменного напряжения. За счет свойств вентилей к аккумулятору идет выпрямленный ток. Таким образом, эта схема является простейшим зарядным устройством.

Однополупериодная схема выпрямления

Представляет собой простейшую схему сглаживания сигнала. Состоит из одного полупроводникового диода, который подключается к вторичной обмотке трансформирующего прибора и резистора для нагрузки.

Текущее через схему напряжение проходит синусоидальный цикл изменений, включает положительные и отрицательные отрезки синусоиды переменного напряжения.

Если подключение обратное, при котором напряжение на катоде выше, чем на аноде, из-за сопротивления ток не проходит.

Однополупериодный преобразователь

Разбираемся с электроизмерительными приборами

Устройство включает:

• Трансформирующий прибор;
• Вентиль (полупроводниковый или электровакуумный диод);
• Конденсатор, который сглаживает переходы отрицательной и положительной полуволны;
• Резистор, выполняющий роль нагрузки.

Если подключить однополупериодный преобразователь к осциллографу, на графике будут видны сглаженные импульсы. Смягчение сигнала достигается за счет использования конденсатора. Во время отрицательного полупериода конденсатор отдает накопленный за время положительной полуволны электрический ток.

К минусам подобной конструкции относят низкий коэффициент полезного действия из-за высокого уровня колебаний. Поэтому однополупериодные преобразователи применяют исключительно в системах с низким потреблением.

Принцип действия двухполупериодной схемы

Двухполупериодный выпрямитель представляет собой два соединенных однопериодных преобразователя. Таким образом, два генератора тока делят общую нагрузку. В результате сигнал сглаживается больше, чем у однофазных приборов.

На рисунке изображена двухполупериодная схема преобразования тока. К трансформирующему прибору подключен диод, от которого напряжение идет от конденсатора к резистору.

Работа мостовой схемы

Источники питания 24 и 12 Вольт

Устройство состоит из четырех полупроводниковых вентилей, объединенных в мост.

В таком случае вторичная обмотка трансформирующего устройства объединяется с противоположными плечами диодного моста. Нагрузочные резисторы подключат посредством других плеч.

При этом выходные характеристики значительно выше, чем у двухпериодных, из-за течения через прибор всей волны напряжений переменного тока.

Во время положительной полуволны сигнал движется от отрицательной части вторичной обмотки трансформирующего устройства через вентили и нагрузочный резистор к положительной части совокупности витков трансформирующего устройства. При негативной полуволне процесс происходит в обратном порядке.

Сравнение мостовой схемы и схемы со средней точкой

Относительно мостового выпрямителя двухполупериодный преобразователь со средней точкой имеет удвоенное напряжение вдвое выше. Также в работе задействованы оба полупериода переменного тока. При положительной полуволне работает верхняя часть схемы, при отрицательной – нижняя.

Главным недостатком, по сравнению с выпрямителем на диодном мосту, является низкий КПД применения трансформирующего устройства. Частота колебаний сигнала вдвое выше, чем у мостовой схемы.

Преобразователь напряжения своими руками

Покупка преобразователя напряжения не всегда выглядит логичной. Стоимость устройства может быть значительной. Поэтому многие предпочитают собирать такие собственноручно. Радиоэлементы извлекаются из блоков питания компьютеров и других приборов. Однако подключать к простейшему элементу чувствительную к перепадам напряжения технику нежелательно.

Схема импульсного преобразователя

Полноволновой выпрямитель с нулевым выводом

Выпрямляющий прибор с двумя диодами конвертирует обе полуволны подающегося на него сигнала в импульсный постоянный ток. Чтобы преобразовать ток, применяется трансформирующий прибор, у которого вторичная обмотка разделяется на две половины. Центральный участок присоединен к земле.

Принцип работы:

1. При положительном полуцикле на одной части витков трансформатора возникает плюс, на второй – минус. Вентиль, который подключают к положительной части, проводит ток. Второй диод закрыт. Проходя через резистор, ток попадает на центральную точку;
2. При отрицательном полуцикле состояние обмоток меняется. Второй диод проводит ток.

В итоге электричество пропускается во время обеих полуволн, и КПД достигает 90%.

Трехфазный выпрямитель                                                                             

Прибор представляет собой схему, которая используется для преобразования переменного сигнала. Применяется в трехфазных электрических сетях. Существует несколько схем, включающих разное число диодов. В некоторых схемах используются диодные мосты.

Если брать трехфазный прибор, то степень колебаний сигнала снижается. Трехфазный выпрямитель получается путем преобразования однофазного двухполупериодного выпрямителя. Обычно схема включает 6 или более вентилей. Напряжение, которое проходит через один диод, равняется трети от максимального тока нагрузки. На выходе напряжение выше, чем у мостового прибора.

Диодный мост

Двухполупериодная схема выпрямления, называемая диодным мостом, для работы задействует четыре вентиля, которые формируют замкнутую цепь. С одной части подключается генератор тока, с другой – резистор.

При подключении обмотки конденсатора, вентили работают попарно, сглаживая положительную и отрицательную полуволну. На выходе остается только плюс, при этом показатель пульсаций равняется 0.48.

Главными достоинствами схемы диодного моста являются простота и высокий коэффициент полезного действия. К минусам относят снижение напряжения на вентилях, что сказывается на эффективности работы систем с низким вольтажом.

Трансформаторная схема с двойной обмоткой и общим выводом

Принцип работы заключается в том, что во время положительной полуволны образуется такое же напряжение. В это время нижний вентиль под воздействием отрицательного сигнала остается закрытым, верхний – открывается. Таким образом, от него течет электрический ток.

При отрицательной части полуволны верхний запирательный диод находится в закрытом состоянии, за счет напряжения, текущего на катод от нижнего вентиля, который открыт за счет поступающего на анод положительного сигнала. При этом работают обе полуволны.

Использование операционных усилителей

Приборы могут быть использованы для улучшения характеристик следующих устройств:

• Дифференциального усилителя;
• Интегратора и дифференциатора;
• Триггеров Шмидта;
• Гираторов;
• Прецизионных выпрямляющих приборов.

Сглаживание выпрямленного напряжения

Уровень качества выпрямленного сигнала оценивается согласно коэффициенту пульсаций. Для снижения показателя используют полупроводниковые сглаживающие фильтры, как индуктивные, так и емкостные.

Трёхфазные выпрямители

Приборы используются для подключения к трехфазной сети и выпрямления сигнала.

Устройства дают возможность получить значительно меньший коэффициент пульсаций на выходе, чем двухполупериодный выпрямитель со средней точкой или однофазный однополупериодный выпрямитель.

Поэтому используются для электрических сетей высокой мощности. Из-за большего сглаживания сигнала требования к фильтру снижаются.

Схема приборов для преобразования тока

На рисунке изображены распространенные схемы выпрямителей для трехфазных сетей. В левой используются три диода и нагрузка. В правой – 6 диодов без нагрузки, что требуется для дополнительного выравнивания.

Схемы для преобразований переменного тока в постоянный требуются для питания аккумуляторов и используются в зарядных устройствах. Характеристики прибора отслеживают на временной диаграмме, за счет подключения к осциллографу. При этом за краткий момент времени можно оценить уровень сглаживания. Строятся выпрямители, как на управляемых тиристорах, так и на основе обычных диодов.

Видео

Источник: https://amperof.ru/elektropribory/dvuxpoluperiodnyj-vypryamitel.html