Выпрямитель напряжения: классификация, применение, схема выпрямителя

Содержание
  1. Принцип работы выпрямителя
  2. Аппроксимация второго порядка
  3. Преимущества и недостатки
  4. Описание
  5. Как проверить диодный мост мультиметром?
  6. Проверка обычного диодного моста
  7. Форма волны на выходе выпрямителя
  8. Электрические параметры выпрямительных диодов.
  9. Как организовать двухполярное питание
  10. Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.
  11. Диодный мост
  12. Конструкции и характеристики прибора
  13. Схема подключения устройства
  14. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель
  15. Как реализовать удвоение напряжения
  16. Виды выпрямителей
  17. Типы выпрямителей по функциональным возможностям
  18. Использование операционных усилителей
  19. Основные соотношения для выпрямителя
  20. Среднее значение выпрямленного напряжения
  21. Амплитудное значение вторичного напряжения
  22. Коэффициент трансформации трансформатора
  23. Действующее значение тока вторичной обмотки
  24. Действующее значение тока первичной обмотки
  25. Мощность трансформатора
  26. Пульсация выпрямленного напряжения
  27. Средний ток диодов
  28. Наибольшее обратное напряжение на диоде
  29. Полноволновое выпрямление
  30. Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.
  31. Практическое применение
  32. Кратко об управляемых преобразователях
  33. Технические характеристики
  34. Значение постоянного напряжение выходного сигнала
  35. Однополупериодный преобразователь
  36. Принцип действия

Принцип работы выпрямителя


Выпрямитель напряжения

Для четкого понимания принципа работы выпрямителя постоянного тока необходимо в первую очередь учитывать, что для выпрямления переменного напряжения используются полупроводниковые элементы (диоды). Их отличительная особенность — способность проводить ток только в одном направлении. Благодаря этому свойству приложенное к ним переменное напряжение на выходе будет принимать форму положительных пульсаций с отсечением нижних половин полупериода колебаний. При положительных полуволнах через диод будет течь ток, который является основой для формирования постоянного источника питания. Для его получения потребуются дополнительные электрические элементы.


Выпрямительное диодное устройство

Любой токовый выпрямитель включает в себя следующие основные узлы:

  • Понижающий трансформатор, преобразующий 220 вольт на нужное значение;
  • комплект диодов (мост);
  • сглаживающий конденсатор (фильтрующий;
  • стабилизатор выполнен на базе транзисторных элементов.

Известно множество вариантов электронных выпрямителей, которые различаются количеством и способом подключения диодов, а также параметрами работы. Особый интерес представляют различные подходы к включению диодных элементов в схему. Ступень стабилизации выпрямительного устройства смонтирована на транзисторных ключах, называемых электронными реле.

Аппроксимация второго порядка

На самом деле мы не получаем идеального напряжения на подтягивающем резисторе. Из-за потенциального барьера диоды не включаются, пока напряжение источника не достигнет примерно 0,7 В.

А поскольку мостовой выпрямитель управляет двумя диодами одновременно, падение напряжения составит 0,7 x 2 = 1,4 В. Таким образом, пиковое выходное напряжение определяется следующим образом:

Преимущества и недостатки

Помимо диодного моста, есть и другие способы преобразования переменного тока в постоянный. По сравнению с полуволновым шлифованием полноволновое шлифование имеет ряд преимуществ:

  • И отрицательная, и положительная полуволны синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в оптимальной степени.
  • Из-за более высокой частоты пульсаций напряжение, получаемое диодным выпрямителем, намного легче сгладить с помощью фильтров.
  • Использование электричества под нагрузкой снижает потери мощности из-за инверсии намагниченности сердечника, которая происходит из-за процессов взаимной индукции в обмотках силового трансформатора.
  • Гармоничное перераспределение кривой электрического тока и выходного напряжения: за счет передачи каждого полупериода двумя диодами в мосту одновременно, выходной параметр намного более однороден.

К недостаткам диодного моста можно отнести более высокое падение напряжения по сравнению с полуволновой схемой или выпрямителем со средней точкой. Это связано с тем, что ток сразу протекает через два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может иметь существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампер могут определять значение сигналов, режимы работы блоков и т.д. В качестве решения можно использовать диодные мосты с диодами Шоттки, в которых прямое падение напряжения относительно меньше.

Еще один недостаток — сложность определения сгоревшего звена, так как при выходе из строя хотя бы одного диода вся схема продолжит работу. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи, можно только с помощью измерений; далеко не всегда устройство или схема отреагируют в случае отказа с видимой неисправностью.

Описание

Выпрямители — один из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменному току проходить через них, блокируя обратный ток, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.

Однако постоянный ток, выпрямляемый диодами, не такой чистый, как ток, взятый, например, от источника батареи, но имеет перекрывающиеся колебания напряжения из-за источника питания переменного тока.

Но для однофазного выпрямления нам нужен синусоидальный сигнал переменного тока с фиксированными напряжением и частотой, как показано на рисунке.

Трехфазные модели - фото 24

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень поворота осциллограммы по оси x, на которую генератор был повернут от 0 до 360 o .

Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, необходимый для завершения полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Связь между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

Второе число указывает амплитуду значения тока или напряжения по оси y. Это число обеспечивает мгновенное значение от нуля до пикового или максимального значения (A MAX, V MAX или I MAX), которое указывает наибольшую амплитуду синусоидальных волн перед повторным возвращением к нулю. Для синусоидальной волны существует два максимальных или пиковых значения: одно для положительных полупериодов, а другое — для отрицательных полупериодов.

Но помимо этих двух значений есть еще два, которые нам интересны для корректировки. Один — это среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы волны получается путем сложения мгновенных значений напряжения (или тока) за полупериод и определяется как: 0,6365 * В P. Обратите внимание, что среднее значение за полный цикл симметричной синусоидальной волны равно нулю.

Среднеквадратичное или эффективное значение синусоидальной волны (синусоида — другое название синусоидальной волны) подает такое же количество энергии на резистор источника постоянного тока того же значения. Среднеквадратичное значение синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * В P.

Как проверить диодный мост мультиметром?

С развитием электроники в современном мире такой блок, как диодный мост, используется в различном оборудовании.

В случае ненормальных условий эксплуатации и короткого замыкания он первым попадет на удар.

Научиться самостоятельно проверять диодный мост — полезный навык, который пригодится всем, кто хоть как-то занимается самостоятельным ремонтом вышедшей из строя техники.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Напомним немного теории. Работа диодного моста основана на свойстве полупроводникового диода пропускать ток только в одном направлении. Мостовая схема состоит из четырех диодов и может быть выполнена как в разомкнутом, так и в монолитном виде. Подробнее обо всем этом вы можете прочитать в материале по диодному мосту.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Неисправности диодного моста:

  1. Пробой диода происходит, когда диод становится обычным проводником и мультиметр показывает сопротивление этого проводника, обычно из-за высокого обратного напряжения или тока диод не выдерживает величины и ломается, ток проходит в обоих направлениях.
  2. Пробой диода — название говорит само за себя, это когда диод вообще не проводит электрический ток, при каждом подключении он будет иметь очень высокое сопротивление, а мультиметр покажет единицу, указывая на обрыв цепи. Это менее распространенная проблема.

Проверка обычного диодного моста

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Как описано выше, диодный мост состоит из четырех отдельных полупроводниковых диодов. Чтобы проверить их работоспособность, нам нужно поиграть в каждую из них в двух направлениях. Включаем мультиметр в режим выбора (он отмечен диодом или значком аудио) и выбираем первый диод, с которого будем запускать тест.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание
Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Находим его анод (положительный вывод) и катод (отрицательный вывод). Обычно они обозначены на корпусе диода цветовой кодировкой или соответствующими значками. Для начала проверяем диод при прямом включении, для этого подключаем красный (положительный) щуп к аноду, а черный (отрицательный) щуп к катоду.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

На дисплее мультиметра должны появиться цифры: величина падения напряжения указывается в милливольтах. Это минимальное напряжение, необходимое для открытия диода.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Теперь проверим обратное подключение, для этого поменяем местами щупы: красный у катода и черный у анода. На дисплее должна отображаться одна единица, что говорит нам о высоком сопротивлении PN перехода — этот диод хороший.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Если при обратном подключении отображается низкое сопротивление и прибор издает звуковой сигнал (при наличии звуковой индикации), этот диод неисправен и требует замены. Итак, ник на оставшиеся три штуки и если найдется неисправный, просто привариваем и заменяем на новый.

Схема выпрямительного диодного моста: принцип работы, обозначения на схеме, техобслуживание

Форма волны на выходе выпрямителя

Модели умножения напряжения - Фото 30

Хотя этот пульсирующий выход использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не соответствует этому значению.

Однако двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на вход, что дает нам другое среднее значение.

Электрические параметры выпрямительных диодов.

У каждого типа диодов есть свои параметры работы и предельно допустимые, по которым они выбираются для работы по той или иной схеме:

Iобр — постоянный обратный ток, мкА;
Uпр — постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max — максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max — максимально допустимое обратное напряжение, В;
P max — максимально допустимая мощность, рассеиваемая диодом;
Рабочая частота, кГц;
Температура рабочая, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диода, но, как правило, при необходимости поиска замены этих параметров вполне достаточно.

Как организовать двухполярное питание

Комбинируя симметричную схему и мостовую схему, можно получить преобразователь, который будет обеспечивать биполярный источник питания с общей (нулевой) точкой на выходе. Также для одного он будет отрицательным, а для другого положительным. Такие устройства широко используются в источниках питания цифровой радиотехники.

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Схема: пример преобразователя с биполярным выходом

Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой единую полупроводниковую кристаллическую пластину, в объеме которой создаются две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют планарными.

Технология изготовления таких диодов следующая:
алюминий, индий или бор сплавлены с поверхностью кристалла полупроводника n-типа, а фосфор сплавлен с поверхностью кристалла полупроводника p-типа.

Под воздействием высокой температуры эти вещества прочно сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электропроводности электронов или дырок. Таким образом, получается полупроводниковый прибор с двумя областями с разными типами электропроводности и между ними pn переходом. Так изготавливаются наиболее распространенные планарные кремниевые и германиевые диоды.

Для защиты от внешних воздействий и надежного отвода тепла кристалл с pn переходом смонтирован в корпусе.
Маломощные диоды изготавливаются в пластиковом корпусе с гибкими внешними кабелями, диоды средней мощности — в металло-стеклянном корпусе с жесткими внешними кабелями и мощные диоды — в металлическом или спеченном корпусе, например, со стеклянной или керамической изоляцией. Пример выпрямительных диодов из германия (малой мощности) и кремния (средней мощности) показан на рисунке ниже.

Кристаллы кремния или германия (3) с pn переходом (4) привариваются к держателю окна (2), который одновременно является основанием корпуса. К держателю окна приварен корпус (7) со стеклянным изолятором (6), через который проходит вывод одного из электродов (5).

Маломощные диоды при относительно небольших размерах и массе имеют гибкие жилы (1), с помощью которых они устанавливаются в схемы.
Для диодов средней и большой мощности, рассчитанных на значительные токи, выводы (1) намного мощнее. Нижняя сторона таких диодов представляет собой массивное основание радиатора с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним радиатором (радиатором).

Диодный мост

Такое устройство представляет собой электрическое устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Словосочетание «диодный мост» образовано от слова «диод», что подразумевает использование в нем диодов. Схема выпрямительного диодного моста зависит от сети переменного тока, к которой она подключена. Сеть может быть:

  • один этап;
  • трехфазный.

В зависимости от этого выпрямительный мост называют мостом Гретца или выпрямителем Ларионова. В первом случае используется четыре диода, а во втором устройство уже собрано на шести.

Для чего нужен диодный мост

Первая схема выпрямителя была собрана на радиолампах и считалась сложным и дорогостоящим решением. Но с развитием полупроводниковой технологии диодный мост полностью вытеснил альтернативные методы выпрямления сигналов. Вместо диодов редко используются селеновые колонки, но все же применяются.

Конструкции и характеристики прибора

Конструктивно выпрямительный мост состоит из набора отдельных диодов или фигурного корпуса с четырьмя проводниками. Корпус может быть плоским или цилиндрическим. Согласно принятому стандарту, значками на корпусе устройства обозначены клеммы для подключения выхода переменного напряжения и постоянного тока. Выпрямители с корпусом с отверстием предназначены для установки на радиатор. Основными характеристиками выпрямительного моста являются:

  1. Максимальное прямое напряжение. Это максимальное значение, при котором параметры устройства не выходят за допустимые пределы.
  2. Максимально допустимое обратное напряжение. Это максимальное импульсное напряжение, при котором мост работает долго и надежно.
  3. Максимальный рабочий ток шлифования. Указывает средний ток, протекающий через мост.
  4. Максимальная частота. Частота приложенного к мосту напряжения, при которой устройство работает эффективно и не превышает допустимого нагрева.

Превышение значений характеристик выпрямителя приводит к резкому сокращению срока его службы или к обрыву pn переходов. Следует отметить, что все параметры диода указаны для температуры окружающей среды 20 градусов. К недостаткам использования мостовой схемы выпрямителя можно отнести более высокое падение напряжения по сравнению с полуволновой схемой и более низкое значение КПД. Для уменьшения потерь и уменьшения нагрева в мостах часто используются быстрые диоды Шоттки.

Схема подключения устройства

На электрических схемах и печатных платах диодный выпрямитель обозначается значком диода или латинскими буквами. Если выпрямитель собран из отдельных диодов, то рядом с каждым стоит обозначение VD и номер, обозначающий порядковый номер диода в схеме. Этикетки VDS или BD используются редко.

Диодный выпрямитель можно подключать напрямую к сети 220 вольт или после понижающего трансформатора, но схема его подключения остается неизменной.

Каковы принципы работы выпрямительного устройства

Когда сигнал поступает в каждый из полупериодов, ток может протекать только через его собственную пару диодов, а противоположная пара будет заблокирована для этого. Для положительного полупериода VD2 и VD3 будут открыты, а для отрицательного полупериода — VD1 и VD4. В результате будет получен постоянный выходной сигнал, но частота его пульсаций увеличится вдвое. Для уменьшения пульсаций выходного сигнала, как и в случае диода, используется параллельное включение конденсатора С1. Такой конденсатор еще называют сглаживающим.

Но бывает, что диодный мост ставят не только в переменную сеть, но и подключают к уже выпрямленной. Причина, по которой нужен диодный мост в такой схеме, станет понятна, если обратить внимание на то, в каких схемах используется такой переключатель. Эти схемы связаны с использованием радиоэлементов, чувствительных к изменению полярности источника питания. Использование моста обеспечивает простую, но эффективную безошибочность. При неправильном подключении полярности блока питания установленные за мостом радиоэлементы не выйдут из строя.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Характеристики трансформаторных устройств - фото 29

Эта конфигурация мостового диода обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любой момент два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Следовательно, в токопроводящем тракте есть два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V IN и V OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и раньше, для простоты математики возьмем идеальные диоды.

Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V IN диоды D 1 и D 4 смещены напрямую, а диоды D 2 и D 3 смещены в обратном направлении. Затем в течение положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 1 — A — RL — B — D 4 и возвращается к источнику питания.

Во время отрицательного полупериода V IN диоды D 3 и D 2 смещены напрямую, а диоды D 4 и D 1 смещены в обратном направлении. Затем в течение отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 3 — A — RL — B — D 2 и возвращается к источнику питания.

В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала, и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в одном и том же направлении через нагрузку, RL между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом под нагрузкой.

Следовательно, в зависимости от набора проводящих диодов, узел A всегда более положительный, чем узел B. Следовательно, ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.

Как реализовать удвоение напряжения

Ниже представлена ​​схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение в два раза превышающее исходное.

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Схема удвоения напряжения

для такого устройства характерно то, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, и, поскольку они расположены последовательно, в результате общее напряжение на «Rn» будет вдвое больше входного.

В преобразователе с таким умножителем можно использовать трансформаторы с меньшим вторичным напряжением.

Виды выпрямителей


Схема однофазного выпрямителя

В зависимости от способа включения полупроводниковых диодов все выпрямители переменного тока делятся на следующие типы:

  • полуволна (полуволна);
  • полноволновой (полноволновой со средней точкой или паттернами Миткевича);
  • мостовые или выпрямители Гретца;
  • выпрямители с удвоением рабочего напряжения и другие менее распространенные схемы.


График выходного напряжения

Полуволна — самый простой метод, используемый для выпрямления переменного тока. Другое название — схема нулевого выпрямителя.

С устройствами этого класса можно получить только пульсирующий выходной ток (используется только половина). Схемы, основанные на полуволновом принципе, характеризуются низкой эффективностью преобразования и редко используются. Их двухполупериодные аналоги имеют в своем составе два диода и обеспечивают полуволновое выпрямление обеих полярностей. Они более эффективны и используются в простейших блоках питания.

Однофазные мостовые выпрямители, так называемые 4-диодные схемы Гретца, характеризуются высоким КПД, понимаемым как эффективность использования мощности, получаемой трансформатором.

Напряжение на выходе полупроводниковых выпрямительных мостов — хорошая основа для последующего сглаживания и стабилизации, получения постоянного тока.

Они широко используются в устройствах с более высокой энергоемкостью, таких как генераторы с выходным напряжением от десятков до сотен вольт. К их достоинствам можно отнести:

  • низкое обратное напряжение (доли вольт);
  • маленький размер;
  • высокий КПД в использовании трансформатора (по сравнению со схемой Миткевича).

Существенным недостатком мостовых схем является двукратное падение напряжения на диодах, что вызывает необходимость выбора выходных параметров трансформатора с запасом при их разработке. Затем эта часть полезной мощности теряется на переходах четырех диодов.

Типы выпрямителей по функциональным возможностям


Трехфазный мостовой выпрямитель

По своему назначению и функциональным возможностям известные образцы выпрямителей делятся на однофазные и трехфазные устройства. Первые используются в электрических сетях многоквартирных и частных домов и предназначены для питания бытовой техники. Последние представляют собой 3-х однотипных электронных модуля, выполненных по одной из следующих схем:

  • несимметричные выпрямители;
  • двухтактные системы;
  • комбинированные модули: с двумя трехфазными обмотками с параллельным включением и последовательностью диодов.

Использование несимметричных трансформаторных схем ограничено из-за низкого КПД выпрямленного напряжения. Их двухтактные аналоги широко используются в двигателях постоянного тока и других электрических машинах, которые содержат в своей конструкции щеточные узлы. Помимо классических выпрямителей, предназначенных для установки в коллекторные двигатели, существуют схемы, способные увеличивать выходное напряжение в несколько раз. Частный случай таких решений — выпрямитель-удвоитель напряжения.

Схема выпрямителя с удвоением напряжения отличается только в деталях от уже рассмотренных вариантов. Такие устройства принято называть умножителями, которые легко собрать своими руками.

Использование операционных усилителей

Как известно, диоды имеют нелинейную вольт-амперную характеристику, создавая однофазный прецизионный двухполупериодный выпрямитель (высокой точности) на исправной микросхеме, можно значительно снизить погрешность. Также возможно создание преобразователя, позволяющего стабилизировать ток на нагрузке. Пример такого устройства показан ниже.

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе

На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем операционный усилитель представляет собой источник, управляемый напряжением. Такая реализация позволяет добиться того, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потерь напряжения через нагрузку Rí и диодный мост D1-D4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно немного усложнить, добавив к ней стабилитрон. Он подключен параллельно сглаживающему конденсатору.

Основные соотношения для выпрямителя

Мы выводим некоторые важные формулы, описывающие процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что приведенные значения являются средними значениями напряжения на нагрузке Ud и средним значением тока в ней Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Вспомним это выражение на потом. В нашем случае m = 2 и Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет
… Так как Ud предполагается заданным, то

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения мы имеем:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет соотношение питающей сети и напряжения на вторичной обмотке:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Действующее значение тока вторичной обмотки

Вторичный ток одновременно является током нагрузки. Поскольку нагрузка чисто активна и ток в ней по форме повторяет пульсации напряжения, то между ее средним значением и его эффективным значением существует такое же соотношение напряжений, то есть

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяется с учетом n, тока вторичной обмотки :

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Мощность трансформатора

Мощность первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинакова, поэтому:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсации напряжения складываются из среднего значения Ud и бесконечного числа гармонических составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрано, как на рисунке, в гармоничной композиции будут присутствовать только гармоники косинуса (поскольку кривая симметрична относительно оси координат). Амплитуда k-й гармоники определяется по формуле:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Где: l — полупериод / м; Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Первая гармоника U (1) m будет иметь наибольшую амплитуду, поэтому мы определяем только ее, предполагая, что k = 1:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Замена Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет
у нас есть:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Отношение первой гармоники к среднему значению называется коэффициентом пульсации:

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Мы запоминаем эту формулу на будущее, но теперь замечаем, что в нашем случае для m — 2, q — 2/3. Это большие пульсации: амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

Средний ток диодов

Как мы уже видели, диоды работают по очереди: каждый из них проводит в среднем половину общего тока, присутствующего в нагрузке. Следовательно, каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iv = Id / 2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В момент, когда диод B1 становится проводящим, его можно считать закрытым, тогда напряжение вторичной обмотки будет приложено к диоду B2 в противоположном направлении. Следовательно, каждый из диодов необходимо рассчитывать по его амплитудному значению:

Двухполупериодный выпрямитель встречается чаще, чем однополупериодный выпрямитель из-за множества преимуществ такой конструкции. Чтобы объяснить, в чем именно преимущество, необходимо обратиться к теоретическим основам электротехники.

В первую очередь рассмотрим разницу между двухполупериодным выпрямителем и однополупериодным выпрямителем, для этого необходимо понимать принцип работы каждого из них. Примеры диаграмм сигналов дадут вам четкое представление о преимуществах и недостатках этих устройств.

Полноволновое выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной волны для обеспечения одностороннего выхода, поскольку он состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с четырьмя диодами, расположенными в виде моста, которые пропускают положительную половину сигнала, как и раньше, но реверсируют отрицательную половину синусоидальной волны для создания импульсного выхода постоянного тока.

Хотя напряжение и ток на выходе выпрямителя уменьшаются, он не меняет направление, используя все 100% формы входного сигнала, и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.

Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая представлена ​​на рисунке:

На вход выпрямителя подается напряжение сети переменного тока, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные полупериоды — синим. Подключаем нагрузку (Rн) к выходу выпрямителя, а диод (VD) будет выполнять функцию выпрямительного элемента).

При положительных полупериодах напряжения, подаваемого на анод диода, диод открывается. В эти моменты времени через диод и, следовательно, через нагрузку (Rn), питаемую от выпрямителя, протекает постоянный ток диода Ipr (на графике справа волна полупериода показана красным).

При отрицательных полупериодах напряжения, подаваемого на анод диода, диод закрывается и небольшой обратный ток диода (Iobr) будет течь по всей цепи. Здесь диод как бы прерывает отрицательную полуволну переменного тока (на графике справа такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В результате получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), больше нет переменных потоков, так как этот ток течет только в положительных полупериодах, а пульсирующий ток представляет собой ток одного направления. Это выпрямление переменного тока.

Но такое напряжение может питать только маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока, и не предъявляет особых требований к источнику питания, например, лампе накаливания.
Напряжение будет проходить через лампу только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако из-за тепловой инерции нить накала не успеет остыть в промежутках между импульсами, и тогда мерцание будет слабо заметным.

Если подать такое напряжение на приемник или усилитель мощности, в динамике или динамиках мы услышим низкий гул с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это произойдет потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить электролитический фильтрующий конденсатор (Cf) большой емкости.

Заряжаемый импульсами тока в течение положительных полупериодов, конденсатор (Cf) в течение отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rn). Если конденсатор достаточно большой, в течение времени между импульсами тока он не успеет полностью разрядиться, а это означает, что нагрузка (Rн) будет постоянно удерживать ток как в течение положительного, так и отрицательного полупериодов. Ток, поддерживаемый зарядом конденсатора, показан на графике справа сплошной волнистой красной линией.

Но даже при таком слегка ослабленном токе невозможно запитать приемник или усилитель, потому что они «мерцают», так как уровень пульсаций (Upulse) все еще очень заметен.
Выпрямитель, с работой которого мы познакомились, с пользой использует энергию только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется более половины входного напряжения, и поэтому такое выпрямление переменного тока называется полуволновым, и выпрямители — это однополупериодные выпрямители. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Практическое применение

На практике диодный мост имеет довольно широкий спектр применения — это цифровая техника, блоки питания в персональных компьютерах, ноутбуках, различных устройствах, низковольтные автомобильные генераторы постоянного тока. Кроме того, они используются в системах воспроизведения звука, измерительном оборудовании, теле- и радиовещании, а также устанавливаются в различных устройствах по всему дому. Чтобы лучше понять роль диодного моста в этих устройствах, мы рассмотрим несколько конкретных схем, в которых он используется.

Кратко об управляемых преобразователях

Часто бывает необходимо проверить напряжение на выходе преобразователя без изменения входа. Для этого наиболее оптимальным будет использование управляемых портов, пример такой реализации представлен ниже.

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Преобразователь тиристорный простой (на регулируемых клапанах)

Технические характеристики

При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или любой другой схеме важно хорошо знать основные технические параметры.

Среди этих характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:

  • Максимальная амплитуда напряжения обратной полярности — это пороговое значение, выше которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет из строя. В отечественных моделях обозначается как UАobr, в зарубежных — Vrpm.
  • Среднее обратное напряжение — это номинальное значение электрической величины, которая может применяться во время работы. Он имеет обозначение Uobr в отечественных образцах или Vr (rms) для зарубежных диодных мостов.
  • Средний выпрямленный ток — указывает действующее значение электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах он обозначается как Ipr или Io соответственно для моделей отечественного или зарубежного производства.
  • Выпрямленный пиковый ток — это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, называемый Ifsm для тока пульсаций на положительном и отрицательном выводах.
  • Падение напряжения прямой полярности: определяет падение напряжения на основе собственного сопротивления диодного моста. На устройстве он обозначен как Vfm.

Если вы хотите выбрать модель на замену, например в сети 220 В, то основным параметром диодного моста является обратный ток и напряжение. Эксплуатационные характеристики должны значительно превышать мощность сети, например, при напряжении 220 В — диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но он тоже должен быть предусмотрен.

Значение постоянного напряжение выходного сигнала

Здесь формула для расчета среднего напряжения такая же, как для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:

Это уравнение говорит нам, что значение постоянного напряжения составляет примерно 63,6 процента от пикового значения. Например, если пиковое напряжение переменного тока составляет 10 В, напряжение постоянного тока будет 6,36 В.

При измерении напряжения на выходе мостового выпрямителя с помощью вольтметра показание будет равно среднему значению.

Однополупериодный преобразователь

Ниже представлена ​​типовая схема такого устройства с минимумом элементов.

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Схема — простейший преобразователь

Легенда:

  • Тр — трансформатор;
  • Клапан ДВ (диодный);
  • Cf — емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
  • Rn — подключенная нагрузка.

Теперь посмотрим на осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и A.

Напряжение на выходе полупроводникового выпрямительного моста составляет

Осциллограмма в контрольных точках U1, U2 и Un

Объяснение:

  • контрольная точка U1 отображает диаграмму, снятую на входе устройства;
  • U2 — схема перед емкостным сглаживающим фильтром;
  • А — осциллограмма нагрузки.

На временной диаграмме хорошо видно, что после клапана (диода) выпрямленное напряжение представлено в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. При возникновении такого импульса накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается в течение отрицательного полупериода, это позволяет немного ослабить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны — это низкий КПД из-за высокого уровня пульсаций. Несмотря на это, устройства этого типа находят свое применение в схемах с низким потреблением тока.

Принцип действия

Устройства выпрямления, обнаружения и смешения сигналов могут быть построены на основе мостовых схем. В этой схеме переменное напряжение, приложенное к противоположным узлам диодного моста, преобразуется в напряжение, выпрямленное за счет пульсации от двух других узлов. Когда нагрузочный резистор RH включен, пульсации напряжения, возникающие на нем, являются униполярными, что типично для двухполупериодного выпрямления.

Когда на входе действует полуволна переменного напряжения положительной полярности, вывод T1 будет положительным по отношению к выводу 7Y. В этом случае электроны попадают на вывод T2 и удаляются через вывод T1.

Электроны с вывода Т2 поступают в блок с диодами D3 и D4, и только D3 имеет направление включения, необходимое для проводимости. Таким образом, электроны движутся, проходя через этот диод, к узлу с диодами D3 и Gb. Полярность подаваемого на диод Gb напряжения блокирующая, так что электроны этого узла уходят на резистор.

Работа мостового выпрямителя
Работа мостового выпрямителя

При протекании тока через резистор RH на последнем происходит падение напряжения (полярность указана на рисунке). Пройдя через резистор, электроны достигают узла с диодами D2 и D4. Но только на диоде D2 есть напряжение пробоя, которое позволяет электронам перемещаться к выводу T1, потенциал которого положительный для данной полуволны переменного тока. Диод D4 заблокирован, так как потенциал T2 отрицательный.

Мостовой выпрямитель — это устройство или цепь, которая проводит ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Поскольку мостовой выпрямитель использует все вторичное напряжение, выходное напряжение в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя.

В течение следующего полупериода изменения входного напряжения потенциал клеммы T1 отрицательный, а потенциал клеммы T2 положительный. Таким образом, электроны с вывода T1 перемещаются к узлу с диодами D и D2, и поскольку только диод D имеет необходимую полярность переключения для проводимости? электроны проходят через этот диод и снова входят в резистор RH, создавая на нем падение напряжения с той же полярностью, что и в первом случае. Далее электроны, как и раньше, попадают в блок с диодами D2 и D4, однако проходят на вывод T2 через диод D4.

Следовательно, поскольку мостовой выпрямитель использует каждый полупериод входящего переменного напряжения и вращает фазу колебаний отрицательной полярности для создания униполярного пульсирующего напряжения на выходе схемы, он обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Существенным недостатком двухполупериодной схемы выпрямления средней точки является необходимость использования двух источников входного напряжения. Эта необходимость возникает из-за того, что один из выводов нагрузочного резистора периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.

Однако необходимость в средней точке отпадет, если второй выход нагрузки с помощью второй подобной диодной схемы будет подключен синхронно и противофазно к клеммам источников питания, которые не используются в соответствующем временном интервале.

Схематическая реализация этого метода представлена ​​ниже. Эта схема называется однофазным мостовым выпрямителем и, вероятно, является наиболее распространенной из всех выпрямительных схем, предназначенных для работы с источниками однофазного переменного напряжения.

Как и в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой, в мостовой схеме напряжение подается на нагрузку в течение всего периода изменения напряжения Uin. Кроме того, его значение при Uin = Uin1 + Uin2 вдвое превышает выходное напряжение схемы на рис. 3.4-8. Следовательно, при одинаковом напряжении нагрузки в мостовой схеме на диоды с обратным смещением подается в два раза меньшее напряжение, чем в схеме на рис. 3.4-8 (Urevmax = Uinmax = π⋅Unsr / 2.

Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в двухполупериодной мостовой схеме будет в два раза больше частоты входного напряжения. Коэффициент пульсации такой же, как в двухполупериодной схеме со средней точкой: Kp = 0,67.

Трехфазный мостовой выпрямитель
Трехфазный мостовой выпрямитель

Особенностью мостовой схемы является то, что два диода всегда включены последовательно с нагрузкой, тогда как в описанных выше однофазных полуволновых и однофазных двухполупериодных схемах такой диод всего один.

Поэтому при малых входных напряжениях (4… 5 В) использование мостовой схемы может оказаться неэффективным (падение напряжения на диодах будет сопоставимо по величине с выходным напряжением выпрямителя) — для повышения КПД необходимо полное Обычно используется волновая схема со средней точкой (возможен также переход на использование диодов Шоттки с малым падением напряжения прямого смещения).

С увеличением напряжения разница в КПД схем уменьшается, и определяющим фактором становится величина обратного напряжения, приложенного к заблокированным диодам во время работы выпрямителя. Поэтому при высоких уровнях выходного напряжения обычно используется мостовой выпрямитель.

Полностью управляемый однофазный выпрямитель позволяет преобразовывать однофазный переменный ток в постоянный. Он обычно используется в различных приложениях, таких как зарядка аккумуляторов, регулировка скорости двигателя постоянного тока и передняя часть ИБП (источник бесперебойного питания) и SMPS (источник питания с переключенным режимом).

Все четыре устройства являются тиристорами. Время переключения этих устройств зависит от сигналов запуска. Отключение происходит, когда ток через устройство достигает нуля и имеет обратное смещение, по крайней мере, на время, равное времени отключения устройства, указанному в паспорте:

  1. В положительных полуциклических тиристорах Т1 и Т2 они активируются под углом α.
  2. Когда отведения T1 и T2 Vo = Vs IO = is = Vo / R = Vs / R.
  3. В отрицательном полупериоде входного напряжения SC3, T3 и T4 включаются под углом (π + α).
  4. Здесь выходной ток и ток питания противоположны. Т3 и Т4 выходят на 2π.

Если мостовой выпрямитель используется в сочетании с источником, имеющим среднюю точку, и средний выход каждой пары диодов подключен к средней точке входного источника через его собственную нагрузку, выход выпрямителя будет производить два равных, но противоположных напряжения (рис. 3.4-10). Эта схема выпрямителя часто используется для питания устройств, построенных на операционных усилителях.

 

Оцените статью
Блог для радиолюбителей