Однофазный однополупериодный выпрямитель принцип действия

Содержание

Двухполупериодный выпрямитель

Однофазный однополупериодный выпрямитель принцип действия

> Теория > Двухполупериодный выпрямитель

Обычное питание от распределительной сети предполагает переменное напряжение. Это напряжение можно легко настроить на желаемый уровень, пользуясь встроенными или внешними трансформаторами. Однако многие электронные компоненты, например, электролитические конденсаторы, светодиоды, диодные элементы и транзисторы не предназначены для работы на переменном токе. Для управления цепями с такими компонентами переменное напряжение необходимо преобразовывать в соответствующее постоянное. Для этого служат выпрямители.

Выпрямитель тока

Полуволновой выпрямитель

Для создания выпрямителей требуются элементы, пропускающие ток в одном направлении и блокирующие в другом. Раньше для этой цели использовались электронные лампы. Сейчас повсеместно применяются полупроводниковые диоды.

Простейший однофазный однополупериодный выпрямитель представляет собой обычный диод, подключенный последовательно с нагрузкой. Когда положительная полуволна синусоидального сигнала проходит через диод, он ее пропускает.

Однако при перемене направления тока в другой полупериод диод запирается. В результате отрицательный полупериод токового сигнала блокируется, и остается пульсирующий ток, состоящий из положительных полуволн. Часть энергии будет потеряна.

Кроме того, высокая пульсация сигнала часто становится неприемлемой для работы электронных схем.

Однофазный полуволновой выпрямитель

Можно использовать усовершенствованную схему однополупериодного выпрямителя, включив параллельно нагрузке конденсатор. Схема работает следующим образом:

  1. Если на полюсе источника присутствует положительное напряжение, диод проводит ток. Конденсатор заряжается полностью, а ток проходит через сопротивление нагрузки;
  2. Когда на полюсе источника появляется отрицательное напряжение, диод блокирует протекание тока. В этот момент конденсатор разряжается, поддерживая на короткий временной промежуток ток через сопротивление нагрузки.

Важно! Если резистор обладает большим сопротивлением, то ток будет маленький. Конденсатор разряжается медленно и поддерживает напряжение в основном до следующей смены полярности.

Полуволновое выпрямление с конденсатором

Такой однофазный однополупериодный выпрямитель с конденсатором имеет меньший уровень пульсации, однако его эффективность все равно оставляет желать лучшего.

Полноволновой выпрямитель

Преимущества двухполупериодного выпрямителя:

  1. Полуволновой выпрямитель обеспечивает только половину доступной энергии в волне переменного тока. Во время отрицательной части цикла напряжение может падать до нуля. Двухполупериодный выпрямитель сохраняет до 90% энергии;
  2. Диод работает как односторонний переключатель, позволяя току протекать только в одном направлении. Однако высокое обратное напряжение может разрушить диод. Из-за этого диоды откалиброваны на обратное напряжение. Полноволновой выпрямитель снижает требования по обратному пробою наполовину. Диоды с более низкой калибровкой дешевле, снижается стоимость всей схемы. Это относится к мостовым схемам;
  3. При применении двухполупериодного выпрямителя сигнал более плавный из-за лучшего сглаживания пульсаций.

Полноволновой выпрямитель с нулевым выводом

Двухполупериодная схема выпрямителя преобразует оба полуцикла переменного сигнала в импульсный сигнал однонаправленного тока.

Для выпрямления сигнала используется трансформатор, вторичная обмотка которого поделена пополам. От средней точки сделан вывод и заземлен, то есть потенциал ее равен нулю. Промежуточный отвод является одним из выходов мощности, а другой выход образуется соединением каждого конца обмотки через соответствующие диоды.

Полноволновой выпрямитель с нулевой точкой

  1. Во время положительного полупериода входного переменного сигнала на одном конце обмотки появляется «плюс», а на другом – «минус». Диод, подключенный анодным выводом к «плюсу», пропускает токовый сигнал. А другой диод, на анодном выводе которого «минус», оказывается запертым. Ток, протекая по нагрузке, возвращается к центральной точке;
  2. Когда появляется отрицательная полуволна, полярность концов обмоток меняется. Соответственно, первый диод запирается, а второй – пропускает сигнал.

В результате по нагрузке проходит ток и в положительные полуциклы, и в отрицательные, но результирующий сигнал будет протекать в одном направлении. Величина постоянного напряжения будет составлять 0,9 от входного среднеквадратичного показателя и 0,637 – от максимального. Частота выходного сигнала увеличивается в два раза.

Можно получать другие значения выходного напряжения, если изменять коэффициент трансформации.

Важно! Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой позволяет получить выпрямленный ток с низкими потерями мощности и с невысокой пульсацией, но применяемые трансформаторы дороги и имеют большие габариты по сравнению с диодными мостами.

Читайте также  Принцип работы электродвигателя переменного тока

Диодный мост

Схема двухполупериодного выпрямителя, называемая диодный мост, использует четыре диода, соединенных с образованием замкнутого контура, к одной стороне которого подсоединяется источник питания переменного тока, к другой – нагрузка.

Применяемая конфигурация позволяет работать поочередно на пропуск сигнала парам диодов, находящимся в противоположных плечах моста. В каждом случае создается положительная полуволна, а ток через нагрузку остается однонаправленным.

Диодный мост

Коэффициент пульсаций мостового выпрямителя составляет 0,48, аналогично другой схеме, с применением трансформатора.

Мостовая схема выпрямления проста и эффективна. Недостатком ее является падение напряжения на диодных элементах. Один из них обеспечивает падение напряжения в 0,7 В, второй – в 1,4 В. Этот дефект может существенно сказаться только на работе низковольтных схем.

Сглаживание пульсаций

Возможно улучшить сигнал двухполупериодного выпрямителя, применяя конденсаторы, которые повышают средний уровень выходного напряжения и делают его более плавным.

Во время первой полуволны конденсатор заряжается до максимума, а при снижении сигнала напряжение на нем не может быстро упасть. Разряд конденсатора происходит до определенного уровня, на котором поддерживается напряжение до зарядного импульса второй полуволны. При большей емкости конденсатора уровень поддерживаемого напряжения растет.

Трехфазный выпрямитель

Если вместо однофазного трансформатора использовать трехфазный, коэффициент пульсаций может быть уменьшен в значительной степени.

Важно! Существенным преимуществом трехфазной схемы является то, что выпрямленное напряжение не падает до нуля, даже если не используется сглаживающее устройство.

Мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя легко преобразуется в трехфазную. Схема выпрямления использует шесть диодов. Каждая фаза включается между парами диодов. Ток, протекающий через один диод, равен 1/3 нагрузочного тока. Выпрямленное напряжение превышает аналогичный показатель для трехфазного полуволнового выпрямителя, использующего три диодных элемента.

Трехфазная выпрямительная схема

Трехфазный тип расположения мостов является предпочтительным в различных применениях, хотя существуют схемы и с использованием разделенных вторичных обмоток трансформатора.

Использование двухполупериодного выпрямителя

Что представляет собой сварочный выпрямитель

Полноволновой выпрямитель широко используется в электронных схемах: радиоприемниках, телевизорах, компьютерах, видеооборудовании и других, где необходим источник питания с минимальным уровнем пульсаций.

Независимо от существования других форм выпрямителей, самый простой и часто применяемый – мостовой выпрямитель с четырьмя диодами и конденсатором. Два из них пропускают положительные половины циклов, другие два – отрицательные, а конденсатор отвечает за поддержание результирующего напряжения до момента изменения полярности ИП.

В схемах выпрямителей диоды могут быть полностью или частично заменены тиристорами, так что можно получить управляемую или полууправляемую систему выпрямления. Эти системы позволяют регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Замена диода на тиристор позволяет задержать открытие элемента, который пропускает ток, при подаче импульса на его управляющий электрод.

Выпрямительные схемы на мощных элементах применяют для установок электролиза, сварочных аппаратов, питания электротранспорта, прокатных станов, систем передачи электрической энергии на постоянном токе.

Источник: https://elquanta.ru/teoriya/dvukhpoluperiodnyjj-vypryamitel.html

Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.

Выпрямители имеют следующие основные параметры: а) среднее значение выходного напряжения uвых

Uср= 1/T· T∫0uвыхdt

где Т − период напряжения сети (для промышленной сети − 20 мс);

б) среднее значение выходного тока iвыx

Iср= 1/T· T∫0iвыхdt

в) коэффициент пульсаций выходного напряжения
ε = Um/ Uср, где Um — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε %: ε % = Um/Uср · 100%

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

а) действующее значение Uвх входного напряжения выпрямителя;

б) максимальное обратное напряжение Uобр.макс на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение Uср;

в) среднее значение

Iд.ср тока отдельного вентиля;

г) максимальное (амплитудное) значение

Iд.макс тока отдельного вентиля.

Токи Iд.ср и Iд.макс принято выражать через Iср. Значение Uобр.макс используется для выбора вентиля по напряжению. Значения

Iд.сри Iд.макс используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток Iд.срм мал, но велик максимальный ток Iд.макс. 

Однофазный однополупериодный выпрямитель

Он является простейшим и имеет схему, изображенную на рис. 2.73, а. В таком выпрямителе ток через нагрузку протекает лишь в течение полупериода сетевого напряжения (рис. 2.73, б).

Читайте также  Контроллеры сименс принцип работы

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

Uср= √2 / π · Uвх вх≈ 2,22 · Uср

Iср= Uср Rн ε= π/ 2 = 1,57

Uобр.макс= √2 · Uвх= π· Uср

Iд.ср= Iср

Iд.макс= √2 · Uвх/ Rн= π · Iср

Такой выпрямитель находит ограниченное применение в маломощных устройствах. Кроме прочего, характерной отрицательной чертой однополупериодного выпрямителя является протекание постоянной составляющей тока во входной цепи. Если выпрямитель питается через трансформатор, как показано на рис. 2.73, в, то наличие указанной постоянной составляющей тока вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, что приводит к необходимости увеличивать его габаритные размеры.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Представляет собой параллельное соединение двух однополупериодных выпрямителей. Рассматриваемый выпрямитель может использоваться только с трансформатором, имеющим вывод от середины вторичной обмотки (рис. 2.74, а).

Диоды схемы проводят ток поочередно, каждый в течение полупериода (рис. 2.74, б).

Основные параметры такого выпрямителя получим аналогично тому, как это делалось ранее:

Uср= 2 · √2 · U2/ π≈ 0,9 · U2

U2 ≈ 1,11 · Uср

Iср= Uср/ Rн

ε= 2/ 3≈ 0,67

Uобр.макс= 2 · √2 · U2= π · Uср

Iд.ср= ½ · Iср

Iд.макс= √2 · U2/ Rн= π· Iср / 2

где U2 — действующее значение напряжения каждой половины вторичной обмотки.

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется довольно высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. При его проектировании полезно помнить о сравнительно большом обратном напряжении на диодах.

Однофазный мостовой выпрямитель

(рис. 2.75, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора.

Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D1 и D2, а другая — D3 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 2.75, б).

Если не забывать мысленно заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры усилителя следующие:

Uср = 2 · √2 / π· Uвх ≈ 0,9 · Uвх

Uвх ≈ 1,11 · Uср

Iср= Uср/ Rн

ε = 2 / 3 ≈ 0,67

Uобр.макс= √2 · Uвх= π/2 · Uср

Iд.ср= ½ · Iср

Iд.макс= √2 · Uвх/ Rн= π/2 · Iср

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом

Его временные диаграммы работы приведены на рис. 2.76.

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения составляет 0,25, в то время как для двухполупериодного однофазного выпрямителя коэффициент пульсаций равен 0,67. частота пульсаций в трехфазном выпрямителе в три раза выше частоты питающей сети.

Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

приведена на рис. 2.77.

Используемые в данной схеме 6 диодов выпрямляют как положительные, так и отрицательные полуволны трехфазного напряжения. Этот выпрямитель является аналогом однофазного мостового выпрямителя.

Рассматриваемый выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и очень широко используется на практике. Коэффициент пульсаций схемы очень мал (ε = 0,057), а частота пульсаций в шесть раз выше частоты сети. Все это позволяет в некоторых случаях не использовать выходной фильтр. Анализ работы рассматриваемой схемы сложнее, чем анализ работы однофазного мостового выпрямителя, однако не сопряжен с какими-либо принципиальными затруднениями.

Источник: https://pue8.ru/silovaya-elektronika/890-vypryamiteli.html

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.

Читайте также  Принцип работы накопительного электроводонагревателя

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.

: 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)

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

Понравилась статья? Поделить с друзьями:
Добавить комментарий