Меню

Однофазный выпрямитель постоянного тока

Однофазные выпрямители: типовые схемы, осциллограммы и моделирование

Выпрямитель используется в цепи переменного тока для его преобразования в постоянный. Наиболее распространенным является выпрямитель, собранный из полупроводниковых диодов. При этом он, может быть собрать из дискретных (отдельных) диодов, либо быть в одном корпусе (диодная сборка).

Давайте рассмотрим, что такое выпрямитель, какими они бывают, а в конце статьи проведем имитационное моделирование в среде Multisim. Моделирование помогает закрепить теорию на практике, без сборки и реальных компонентов просмотреть формы напряжений и токов в цепи.

Схемы выпрямителей переменного напряжения

На изображениях выше представлен внешний вид диодных мостов. Но это не единственная схема выпрямления. Для однофазного напряжения существует три распространенных схемы выпрямления:

1. 1-полупериодная (1ф1п).

2. 2-полупериодная (1ф2п).

3. 2-полупериодная со средней точкой (1ф2п).

Однополупериодная схема выпрямления

Самая простая схема состоит всего лишь из одного диода, даёт на выходе постоянное нестабилизированное пульсирующее напряжение. Диоды подключается в цепь питания на фазный провод, либо на один из выводов обмотки трансформатора, вторым концом к нагрузке, второй полюс нагрузки – к нулевому проводу или второму выводу обмотки трансформатора.

Действующее значение напряжение в нагрузке равняется примерно половине амплитудного. Амплитудное значение напряжения это размах синусоиды питающей сети в общем случае для переменного тока

Uампл = Uдейств * √2.

Для электросетей России действующие напряжение однофазной сети – 220 В, а амплитудное примерно 311

Простыми словами – на выходе мы получаем пульсации длиною в пол периода (20 мс для 50 Гц) от 0 В, до 311 В. В среднем напряжение получается меньше чем 220 вольт, это используют для питания нетребовательных к качеству напряжения потребителей или для включения ламп накаливания в подсобных, хозяйственных помещениях и подъездах. Так снижается потребляемая мощность и возрастает срок службы.

Лирическое отступление:

Долговечность таких светильников колоссальная, я пришел в цех год назад, а лампу установили еще в 2013 году, так она до сих пор светит по 12 часов каждые сутки. Но такой свет нельзя использовать в рабочих помещениях, из-за высоких пульсаций. Осциллограмы входных и выходных напряжений изображены ниже:

Однополупериодная схема отсекает только одну полуволну, что вы и видите на эпюре выше. Из-за такого питания мы получаем большой коэффициент пульсаций.

Стоит сказать, что если немного сменить тему и перейти от сетевых выпрямителей, то однополупериодная схема широко используется в импульсной схемотехнике, выпрямляя напряжение вторичной обмотки импульсного трансформатора.

На маломощных импульсных источниках питания тоже используют эту схему. Именно так, скорее всего, сделано ваше зарядное устройство для мобильного телефона.

Двухполупериодная схема

Для снижения коэффициента пульсаций и ёмкости фильтра используют другую схему – двухполупериодную. Называется она – диодный мост. Переменное напряжение поступает на точку соединения разноименных полюсов диодов, а постоянное по знаку с одноименных. Выходное напряжение такого моста называют выпрямленным пульсирующим (или не стабилизированным). Именно такое включение диодов наиболее распространено во всех сферах электроники.

Двухполупериодная схема

На эпюрах вы видим, что обе вторая полуволна переменного напряжения «переворачивается» и поступает в нагрузку. В первую половину периода ток протекает через диоды VD1-VD4, во вторую через пару VD2-VD3.

Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц

Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц

Вторая схема используется в источниках питания со средней точкой, по сути это две однополупериодные объединенные со вторичной обмоткой трансформатора со средней точкой. Аноды подсоединяются к крайним концам обмотки, катоды к одному вывод нагрузки (плюсовой), второй вывод нагрузки подсоединяется к отводу от середины обмотки (средней точке).

Вторая двухполупериодная схема

График выходного напряжения аналогичен и мы его рассматривать не будем. Существенное отличие лишь в том, что ток одновременно протекает через один диод, а не через пару как в мосте. Это снижает потери энергии на диодном мосте и лишний нагрев полупроводников.

Уменьшение коэффициента пульсаций

Коэффициент пульсаций – это величина, которая отражает насколько сильно пульсирует выходное напряжение. Или наоборот – насколько стабильно и равномерно ток подаётся в нагрузку.

Чтобы снизить коэффициент пульсаций параллельно нагрузке (выходу диодного моста) устанавливают всевозможные фильтры. Самый простой вариант – установить конденсатор. Чтобы пульсации были как можно меньше, постоянная времени Rнагрузки Cфильтра должна быть на порядок (а лучше несколько) больше периода пульсаций (в нашем случае 10 мс).

Для этого либо нагрузка должна иметь высокое сопротивление и малый ток, либо ёмкость конденсатора достаточно большой.

Расчетное соотношение для подбора конденсатора выглядит так:

Расчетное соотношение для подбора конденсатора

Кп – это требуемый коэффициет пульсаций.

Для улучшения ряда характеристик фильтра могут применяться LC цепи, соединенные по схеме Г или П-фильтра, в отдельных случаях и другие конфигурации. Недостатком использования LC фильтров в радиолюбительской практики является необходимость подбора фильтрующего дросселя. А нужного по номиналу (индуктивности и току) зачастую нет под рукой. Поэтому приходится либо мотать самому, либо выходить из сложившейся ситуации другим образом – выпаяв из подобного по мощности блока питания.

Моделирование однофазных выпрямителей

Давайте закрепим эту информацию на практике и займемся моделированием электроцепей. Я решил, что для создания модели такой простой схемы отлично подойдет пакет Multisim – он наиболее прост в освоении из всех мне известных и меньше всего требует ресуров.

Однако алгоритмы моделирования у него проще чем в Orcad или Simulink (хотя это и математическое моделирование, а не имитационное), поэтому результаты моделирования некоторых схем не являются достоверными. Multisim подходит для изучения основ электроники, режимов работы транзистора, операционных усилителей.

Не стоит недооценивать возможностей этой программы, при должном подходе она способна отобразить работу сложных устройств.

Мы рассмотрим модели первых двух схем, третья схема, по существу аналогична второй, но имеет меньшие потери за счет исключения двух ключей и большую сложность – из-за необходимости применения трансформатора с отводом от середины вторичной обмотки.

Однополупериодная схема

Однополупериодная схема

Схема, по которой происходит моделирование

Источник питания имитирует однофазную бытовую сеть с характеристиками:

220 в действующее напряжение;

В программе я не нашел амперметра и вольтметра, их роль выполняют мультиметры. Позже обратите внимание на обилие их настройки, и возможность выбора рода тока.

В приведенной модели мультиметр XMM1 – измеряет ток в нагрузке, XMM3 – напряжение на выходе выпрямителя, XMM2 – напряжение на входе, XSC2 – осциллограф. Обращайте внимание на подписи элементов – это исключит вопросы при анализе рисунков, которые будут ниже. Кстати в Multisim представлены модели реальных диодов, я выбрал самый распространенный 1n4007.

Осциллограма в Multisim

Красным цветом изображена осциллограмма на входе (канал А) в поле с результатами измерений. Синим цветом – выходное напряжение (канал В). У первого канала цена деления одной клеточки по вертикали – 200 В/дел, а у второго канала – 500. Я нарочно так сделал, чтоб разделить осциллограммы визуально иначе они сливались. Желтая вертикальная линия в левой трети экрана – это измеритель, величина напряжений в точке с максимальной амплитудой описана ниже черного экрана.

Амплитуда входа – 311.128 В, как и было сказано в начале статьи, а на выходе – 310.281 разница почти в один вольт обусловлена падением на диоде. В правой части изображения результаты измерений мультиметров. Названия окон соответствуют названиям мультиметров XMM в схеме.

Из эпюры мы видим, что действительно в нагрузку поступает только одна полуволна напряжения, а среднее его значение – 98 В, что больше чем в двое меньше входного действующего 220 В переменного по знаку.

На следующей схеме мы добавили фильтрующий конденсатор и один мультиметр для измерения тока нагрузки, запомните их подписи, чтобы не запутаться при изучении рисунков.

Резистор перед диодом нужен для измерения тока заряда конденсатор, чтобы узнать ток – разделите число вольт на 1 (сопротивление). Однако в дальнейшем мы заметим, что при больших токах на резисторе падает значительное напряжение, которое может сбить с толку при измерениях, в реальных условиях – это вызвало бы нагрев резистора и потерю КПД.

Читайте также:  Однофазный ограничитель пусковых токов

Схема

На осциллограмме изображено оранжевым входное напряжение, а красным входной ток. Кстати здесь заметен сдвиг тока в сторону опережения напряжения.

Осциллограма

На осциллограмме выходного сигнала мы видим как работает конденсатор – напряжение в нагрузке в то время, когда диод закрыт и проходит одна полуволна, спадает плавно, среднее его значение вырастает, а пульсации снижаются. После, на положительной полуволне, конденсатор подзаряжается и процесс повторяется.

Осциллограмма в Multisim

Увеличив сопротивление нагрузки в 10 раз, мы снизили ток, конденсатор не успевает разряжаться, пульсации стали гораздо меньше, таким образом мы доказали теоретические сведения описанные в предыдущем разделе о пульсациях и влиянии на них тока и ёмкости. Для того чтобы показать это мы могли изменить ёмкость конденсатора.

Осциллограмма в Multisim

Входной сигнал тоже изменился – токи заряда снизились, а их форма осталась прежней.

Осциллограмма в Multisim

Двухполупериодная схема

Давайте рассмотрим, как выглядит в действии схема выпрямления обоих полупериодов. Мы установили на вход диодный мост.

Двухполупериодная схема

На осциллограммах видно, что в нагрузку поступают обе полуволны, но пульсации очень большие.

Осциллограмма в Multisim

На входной осциллограмме появилась нижня часть полуволны у тока (красным цветом).

Осциллограмма в Multisim

Снизим пульсации установив фильтрующий электролитическй конденсатор по входу. На практике желательно параллельно ему установить еще и керамический, чтобы снизить высокочастотные составляющие синусоиды (гармоники).

Двухполупериодная схема

На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора (она становится положительной после моста).

На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора

На выходной осциллограмме видно, что пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором, обратите внимание – напряжение стремится к амплитудному, чем меньше пульсаций – тем ближе его среднее значение к амплитуде.

Пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором

Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе.

Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе

И бОльшие токи зарядов на входе, очень заметно смещение тока фазы. Процесс заряда конденсатора происходит не линейно, а экспоненциально, поэтому мы видим, что напряжение повышается, а ток падает.

Осциллограмма

Заключение

Выпрямители широко используются во всех сферах электроники и электричестве в целом. Выпрямительные цепи устанавливаются везде – от миниатюрных блоков питания и радиоприёмниках до цепей питания мощнейших двигателей постоянного тока в крановом оборудовании.

Моделирование отлично помогает понять процессы протекающих в схемах и изучить, как изменяются токи от изменения параметров цепи. Развитие современных технологий позволяет изучать сложные электрические процессы без наличия дорогого оборудования типа спектральных анализаторов, частотомеров, осциллографов, самописцев и сверхточных вольт-амперметров. Оно позволяет избежать ошибок при проектировании схем перед сборкой.

Источник

Схемы выпрямителей

Теперь мы подошли к наиболее популярному применению диода: выпрямлению. Упрощенно, выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное. Оно включает в себя устройство, которое позволяет протекать электронам только в одном направлении. Как мы уже видели, это именно то, что и делает полупроводниковый диод. Простейшим выпрямителем является однополупериодный выпрямитель. Он пропускает через себя на нагрузку только половину синусоиды сигнала переменного напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя Схема однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель не удовлетворяет требований большинства источников питания. Содержание гармоник в выходном сигнале выпрямителя слишком велико, и, следовательно, их трудно отфильтровать. Кроме того питающий источник переменного напряжения подает питание на нагрузку во время только одной половины каждого полного периода, а это означает, что половина его возможностей не используется. Тем не менее, однополупериодный выпрямитель является очень простым способом уменьшения мощности, подводимой к активной нагрузке. Переключатели некоторых двухпозиционных ламповых диммеров подают напрямую полное переменное напряжение на лампу накаливания для «полной» яркости или через однополупериодный выпрямитель для уменьшения яркости (рисунок ниже).

Использование однополупериодного выпрямителя: двухпозиционный ламповый диммер Использование однополупериодного выпрямителя: двухпозиционный ламповый диммер

В положении переключателя «Тускло» лампа накаливания получает примерно половину мощности, которую она бы получала при работе с полным периодом переменного напряжения. Поскольку питание после однополупериодного выпрямителя пульсирует гораздо быстрее, чем нить накала успевает нагреться и охладиться, лампа не мигает. Вместо этого, нить накала просто работает на меньшей, чем обычно, температуре, обеспечивая менее яркий свет. Эта идея быстроты «пульсирования» питания по сравнению с медленно реагирующей нагрузкой широко используется в мире промышленной электроники для управления электроэнергией, подаваемой на нагрузку. Так как управляющее устройство (в данном случае, диод) в любой момент времени либо полностью проводит, либо полностью не проводит ток, то оно рассеивает мало тепловой энергии, контролируя при этом мощность нагрузки, что делает этот метод управления питанием очень энергоэффективным. Эта схема, возможно, является самым грубым способом подачи пульсирующего питания на нагрузку, но она достаточна в качестве применения, доказывающего правильность идеи.

Если нам нужно выпрямить питание переменным напряжением, чтобы получить полное использование обоих полупериодов синусоидального сигнала, то необходимо использовать другие схемы выпрямителей. Такие схемы называются двухполупериодными выпрямителями. Один из типов двухполупериодных выпрямителей, называемый выпрямителем со средней точкой, использует трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке и два диода, как показано на рисунке ниже.

Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой

Понять работу данной схемы довольно легко, рассмотрев ее в разные половины периода синусоидального сигнала. Рассмотрим первую половину периода, когда полярность напряжения источника положительна (+) наверху и отрицательна внизу. В это время ток проводит только верхний диод, нижний диод блокирует протекание тока, а нагрузка «видит» первую половину синусоиды, положительную наверху и отрицательную внизу. Во время первой половины периода ток протекает только через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора (рисунок ниже).

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительной полуволны на входе, доставляя положительную полуволну на нагрузку Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительной полуволны на входе, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь другой диод и другая половина вторичной обмотки трансформатора проводят ток, а часть схемы, проводившая ток во время предыдущего полупериода, находится в ожидании. Нагрузка по-прежнему «видит» половину синусоиды, той же полярности, что и раньше: положнительная сверху и отрицательная снизу (рисунок ниже).

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Во время отрицательной полуволны на входе ток проводит нижняя половина вторичной обмотки, доставляя положительную полуволну на нагрузку Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Во время отрицательной полуволны на входе ток проводит нижняя половина вторичной обмотки, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

Одним из недостатков этой схемы двухполупериодного выпрямителя является необходимость трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке. Особенно сильно этот недостаток проявляется, если для схемы имеют значение высокая выходная мощность; размер и стоимость подходящего трансформатора становятся одними из определяющих факторов. Следовательно, схема выпрямителя со средней точкой используется только в приложениях с низким энергопотреблением.

Полярность на нагрузке двухполупериодного выпрямителя со средней точкой может быть изменена путем изменения направления диодов. Кроме того, перевернутые диоды могут подключены параллельно с существующим выпрямителем с положительным выходом. В результате получится двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, показанный на рисунке ниже. Обратите внимание, что соединение диодов между собой аналогично схеме моста.

Двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой Двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Существует еще одна популярная схема двухполупериодного выпрямителя, она построена на базе схемы четырехдиодного моста. По очевыдным причинам эта схема называется двухполупериодным мостовым выпрямителем.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Направления потоков электронов в двухполупериодном мостовом выпрямителе показано на рисунках ниже для положительной и отрицательной полуволн синусоиды переменного напряжения источника. Обратите внимание, что независимо от полярности на входе, ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении. То есть, отрицательная полуволна на источнике соответствует положительной полуволне на нагрузке. Ток протекает через два диода, соединенных последовательно для обеих полярностей. Таким образом, из-за падения напряжения на двух диодах теряется (0.7 x 2 = 1.4В для кремниевых диодов). Это является недостатком по сравнению с двухполупериодным выпрямителем со средней точкой. Этот недостаток является проблемой только для очень низковольтных источников питания.

Читайте также:  Назовите виды электрических машин переменного тока

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодов Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодов Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для отрицательных полупериодов Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для отрицательных полупериодов

Запоминание правильного соединения диодов схемы мостового выпрямителя иногда может вызвать проблемы у новичка. Альтернативное представление этой схемы может облегчить запоминание и понимание. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды нарисованы в горизонтальном положении и указывают в одном направлении (рисунок ниже).

Альтернативное представление схемы двухполупериодного мостового выпрямителя Альтернативное представление схемы двухполупериодного мостового выпрямителя

Одним из преимуществ такого представления схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии (рисунок ниже).

Схема трехфазного мостового выпрямителя Схема трехфазного мостового выпрямителя

Линия каждой из фаз подключается между парой диодов: один ведет к положительному (+) выводу нагрузки, а второй – к отрицательному. Многофазные системы с количеством фаз, более трех, так же могут быть легко использованы в схеме мостового выпрямителя. Возьмем, например, схему шестифазного мостового выпрямителя (рисунок ниже).

Схема шестифазного мостового выпрямителя Схема шестифазного мостового выпрямителя

При выпрямлении многофазного переменного напряжения сдвинутые по фазе импульсы накладываются друг на друга создавая выходное постоянное напряжение, которое более «гладкое» (имеет меньше переменных составляющих), чем при выпрямлении однофазного переменного напряжения. Это преимущество является решающим в схемах выпрямителей высокой мощности, где физический размер фильтрующих компонентов будет чрезмерно большим, но при этом необходимо получить постоянное напряжение с низким уровнем шумов. Диаграмма на рисунке ниже показывает двухполупериодное выпрямление трехфазного напряжения.

Трехфазное переменное напряжение и выходное напряжение трехфазного двухполупериодного выпрямителя Трехфазное переменное напряжение и выходное напряжение трехфазного двухполупериодного выпрямителя

В любом случае выпрямления (однофазном или многофазном) количество переменного напряжения, смешанного с выходным постоянным напряжением выпрямителя, называется напряжением пульсаций. В большинстве случаев напряжение пульсаций нежелательно, так как целью выпрямления является «чистое» постоянное напряжение. Если уровни мощности не слишком велики, для уменьшения пульсаций в выходном напряжении могут быть использованы схемы фильтрации.

Иногда метод выпрямления классифицируется путем подсчета количества «импульсов» постоянного напряжения на выходе каждые 360° синусоиды входного напряжения. Однофазная однополупериодная схема выпрямителя тогда будет называться 1-импульсным выпрямителем, поскольку он дает один импульс во время полного периода (360°) сигнала переменного напряжения. Однофазный двухполупериодный выпрямитель (независимо от схемы, со средней точкой или мостовой) будет называться 2-импульсным выпрямителем, поскольку он выдает 2 импульса постоянного напряжения за один период переменного напряжения. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель будет называться 6-импульсным.

Современное соглашение в электротехнике описывает работу схемы выпрямителя с помощью трехпозиционной записи фаз, путей и количества импульсов. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя в данном зашифрованном обозначении будет следующей 1Ph1W1P (1 фаза, 1 путь, 1 импульс), а это означает, что питающее переменное напряжение однофазно, ток каждой фазы источника переменного напряжения протекает только в одном направлении (пути), и, что в постоянном напряжении создается один импульс каждые 360° входной синусоиды. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой в этой системе записи будет обозначаться, как 1Ph1W2P: 1 фаза, 1 путь или направление протекания тока в каждой половине обмотки, и 2 импульса в выходном напряжении за период. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель будет обозначаться, как 1Ph2W2P: так же, как и схема со средней точкой, за исключением того, что ток может протекать двумя путями через линии переменного напряжения, вместо только одного пути. Трехфазный мостовой выпрямитель, показанный ранее, будет называться выпрямителем 3Ph2W6P.

Вожможно ли получить количество импульсов больше, чем удвоенное количество фаз в схеме выпрямителя? Ответ на этот вопрос, да: особенно в многофазных цепях. При помощи творческого использования трансформаторов наборы двухполупериодных выпрямителей могут быть соединены параллельно таким образом, что на выходе для трехфазного переменного напряжения может быть получено более шести импульсов постоянного напряжения. Когда схемы соединения обмоток трансформатора не одинаковы, из первичной во вторичную цепь трехфазного трансформатора вводится 30° фазовый сдвиг. Другими словами, трансформатор подключенный по схеме либо Y-Δ, либо Δ-Y будет давать сдвиг фазы на 30°; в то время, как подкючение трансформатора по схеме Y-Y или Δ-Δ такого эффекта не даст. Это явление может быть использовано при наличии одного трансформатора, подключенного по схеме Y-Y к одному мостовому выпрямителю, и другого трансформатора, подключенного по схеме Y-Δ к другому мостовому выпрямителю, а затем параллельном соединению выходов постоянного напряжения обоих выпрямителей (рисунок ниже). Поскольку формы напряжений пульсаций на выходах двух выпрямителей смещены по фазе на 30° относительно друг друга, в результате сложения они дадут меньшие пульсации, чем каждый выпрямитель по отдельности: 12 импульсов каждые 360° вместо шести:

Схема многофазного выпрямителя: 3 фазы, 2 пути, 12 импульсов (3Ph2W12P) Схема многофазного выпрямителя: 3 фазы, 2 пути, 12 импульсов (3Ph2W12P)

Источник

Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

рис. 2.73 аВ 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

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

  • среднее значение выходного тока iвыx и Iср= 1/T· T ∫iвыхdt
  • 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.

  1. Параметры выпрямителей
  2. Однофазный однополупериодный выпрямитель
  3. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
  4. Однофазный мостовой выпрямитель
  5. Схема трехфазного выпрямителя с нулевым выводом
  6. Схема трехфазного мостового выпрямителя (схема Ларионова)

Параметры выпрямителей

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

  1. действующее значение Uвх входного напряжения выпрямителя;
  2. максимальное обратное напряжение Uобр.макс на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение Uср;
  3. среднее значение Iд.ср тока отдельного вентиля;
  4. 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 I д.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).

рис. 2.73 а

рис. 2.73 б

Исходя из приведенных выше определений, получим основные параметры:

Источник



Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Электрическую энергию удобно транспортировать и преобразовывать по величине в виде переменного напряжения. Именно в таком виде она подается к конечному потребителю. Но для питания многих устройств нужно все-таки постоянное напряжение.

Трёхфазный выпрямитель напряжения.

Для чего нужен выпрямитель в электротехнике

Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко применяется, и главные сферы использования выпрямляющих устройств в радио- и электротехнике:

  • формирование постоянного тока для силовых электроустановок (тяговые подстанции, электролизные установки, системы возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
  • источники питания для электронных приборов;
  • детектирование модулированных радиосигналов;
  • формирование постоянного напряжения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения систем автоматической регулировки усиления.

Полная область применения выпрямителей обширна, и перечислить её в рамках одного обзора невозможно.

Принципы работы выпрямителей

В основу работы выпрямительных устройств положено свойство односторонней проводимости элементов. Делать это можно разными способами. Многие пути для промышленного применения отошли в прошлое – например, применение механических синхронных машин или электровакуумных приборов. Сейчас применяются вентили, проводящие ток в одну сторону. Не так давно для мощных выпрямителей применялись ртутные устройства. На сегодняшний момент они практически вытеснены полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.

Типовые схемы выпрямителей

Выпрямляющее устройство может быть построено по различным принципам. Анализируя схемы устройств, надо помнить, постоянным напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условно. Этот узел выдает пульсирующее однонаправленное напряжение, которое в большинстве случаев надо сглаживать фильтрами. Часть потребителей требует еще и стабилизации выпрямленного напряжения.

Читайте также:  Электрический ток в электролитах опыт фарадея

Однофазные выпрямители

Самым простым выпрямителем переменного напряжения служит одиночный диод.

Схема выпрямления напряжения, с помощью одного диода.

Он пропускает к потребителю положительные полуволны синусоиды и «срезает» отрицательные.

Значение напряжения после диода.

Область применения такого устройства невелика – в основном, выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя оно и выдает ток, текущий в одном направлении, у него есть существенные недостатки:

  • высокий уровень пульсаций – для сглаживания и получения постоянного тока потребуется большой и громоздкий конденсатор;
  • неполное использование мощности понижающего (или повышающего) трансформатора, ведущее к увеличению потребных массогабаритных показателей;
  • средняя ЭДС на выходе составляет меньше половины подведенной ЭДС;
  • повышенные требования к диоду (с другой стороны – нужен всего один вентиль).

Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.

Мостовая схема выпрямления напряжения.

Здесь ток через нагрузку течёт дважды за период в одном направлении:

  • положительная полуволна по пути, обозначенному красными стрелками;
  • отрицательная полуволна по пути, обозначенному зелеными стрелками.

Выходное напряжение после выпрямления диодным мостом.

Отрицательная волна не пропадает, а также используется, поэтому мощность входного трансформатора используется полнее. Средняя ЭДС в два раза больше, чем у однополупериодного варианта. Форма пульсирующего тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же потребуется. Его ёмкость и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций составляет удвоенную частоту сетевого напряжения.

Если есть трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно или с обмоткой, имеющей отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.

Схема выпрямителя напряжения, с обмоткой трансформатора, имеющей отвод от середины

Этот вариант фактически является удвоенной схемой однополупериодного выпрямителя, но обладает всеми достоинствами двухполупериодного. Недостатком является необходимость применения трансформатора специфической конструкции.

Если трансформатор изготавливается в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку так, как требуется, но придется применить железо несколько увеличенных размеров. Зато вместо 4 диодов используется только 2. Это позволит скомпенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.

Если выпрямитель рассчитан на большой ток и вентили надо устанавливать на радиаторах, то установка в два раза меньшего количества диодов дает существенную экономию. Ещё надо учитывать, что такой выпрямитель имеет вдвое большее внутреннее сопротивление, по сравнению с собранным по мостовой схеме, поэтому нагрев обмоток трансформатора и связанные с этим потери также будут выше.

Трёхфазные выпрямители

От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранного по подобному принципу.

Схема трёхфазного выпрямителя.

Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой линии, уровень пульсаций всего 14%, а частота равна утроенной частоте сетевого напряжения.

Значение выходного напряжения после трёхфазного выпрямителя.

И все же исходник этой схемы – однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки не удается изжить даже с помощью трехфазного источника напряжения. Главным из них является не полное использование мощности трансформатора, и средняя ЭДС равна 1,17⋅E2eff (эффективное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора).

Лучшие параметры имеет мостовая трёхфазная схема.

Трёхфазная мостовая схема выпрямителя напряжения.

Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения составляет те же 14%, но частота равна ушестеренной частоте входного переменного напряжения, поэтому ёмкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет вдвое выше, чем в предыдущей схеме.

Значение выходного напряжения после трёхфазной мостовой схемы.

Этот выпрямитель применен с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку по схеме «звезда», но тот же самый узел вентилей будет гораздо менее эффективен при использовании совместно с трансформатором, выход которого включен по схеме «треугольника».

Схема трёхфазного выпрямителя с трансформатором, подключенным по схеме треугольник.

Здесь амплитуда и частота пульсаций такая же, как в предыдущей схеме. Но средняя ЭДС меньше, чем в предыдущей схеме в раз. Поэтому такое включение используется редко.

Выпрямители с умножением напряжения

Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно больше входного. Например, существуют схемы с удвоением напряжения:

Схема выпрямителя напряжения с удвоением.

Здесь конденсатор С1 заряжается во время отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком такого построения является невысокая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 находится под удвоенным значением напряжения. Поэтому такую схему используют в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, в качестве измеряющего органа в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.

В электротехнике и силовой электронике применяют другой вариант схемы удвоения.

Удвоитель напряжения, собранный по схеме Латура.

Удвоитель, собранный по схеме Латура, имеет большую нагрузочную способность. Каждый из конденсаторов находится под входным напряжением, поэтому по массогабаритным показателям этот вариант также выигрывает у предыдущего. Во время положительного полупериода заряжается конденсатор С1, во время отрицательного – С2. Ёмкости включены последовательно, а по отношению к нагрузке – параллельно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений заряженных конденсаторов . Частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а величина зависит от значения емкостей. Чем они больше, тем меньше пульсации. И здесь надо найти разумный компромисс.

Недостатком схемы считается запрет на заземление одного из выводов нагрузки – один из диодов или конденсаторов в этом случае окажется закороченным.

Эту схему можно каскадировать любое число раз. Так, повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверением напряжения и т.д.

Каскадная схема учитверителя напряжения.

Первый по схеме конденсатор должен выдерживать напряжение источника питания, остальные – удвоенное напряжение питания. Все вентили должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.

Если нет подходящих диодов, их можно соединять последовательно — при этом максимально допустимое напряжение кратно увеличится. Но параллельно каждому диоду надо включить выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, потому что в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может распределиться между диодами неравномерно. Итогом может стать превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепочки зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), то и обратное напряжение распределится строго одинаково. Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае действие дополнительных элементов на работу схемы будет минимизировано.

Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли понадобится, токи здесь невелики. Но может пригодиться в других схемах выпрямителей, где нагрузка потребляет серьезную мощность. Параллельное соединение кратно увеличивает допустимый ток через вентиль, но всё портит отклонение параметров. В итоге один диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы этого избежать, последовательно с каждым диодом ставят резистор.

Использование резистора в схеме, лдя защиты диода.

Номинал сопротивления выбирают так, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составило 1 вольт. Так, при токе в 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Мощность в этом случае должна быть не менее 1 Вт.

В теории увеличивать кратность напряжения можно до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждым дополнительным каскадом. В итоге можно прийти к ситуации, когда просадка напряжения на нагрузке превысит кратность умножения и сделает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток свойственен всем подобным схемам.

Часто такие умножители напряжения выпускаются единым модулем в хорошей изоляции. Подобные приборы применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора. Также известны схемы удвоения с использованием дросселей, но распространения они не получили – намоточные детали сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.

Схем выпрямителей существует достаточно много. Учитывая широкую сферу применения данного узла, важно подойти к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое импульсный блок питания и где применяется

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Что такое операционный усилитель?

Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей

Преобразователи напряжения с 12 на 220 вольт

Источник