Двухполупериодный выпрямитель
Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.
Схема: простейший преобразователь
Обозначения:
- Tr – трансформатор;
- DV- вентиль (диод);
- Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
- Rn – подключенная нагрузка.
Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.
Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un
Пояснение:
- в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
- U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
- Un – осциллограмма на нагрузке.
Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.
Недостатки такой схемы очевидны — это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.
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.
Многие приборы и электросхемы рассчитаны на питание постоянным током.
Получают его путем выпрямления переменного, разными способами.
Этим занимаются специальные устройства — выпрямители переменного тока. Далее речь пойдет об их разновидностях.
Принцип действия
Графическое представление этих изменений отображается синусоидой. Полуволны выше оси абсцисс, отображают движение заряженных частиц в положительном направлении, ниже — в противоположном, отрицательном.
Задача выпрямителя — сделать так, чтобы направление тока оставалось постоянным, то есть превратить его в однополярный, добиться этого можно несколькими способами:
- отсечь отрицательные полуволны. Задействуется только половина вырабатываемой источником или генератором энергии. Поскольку ток действует только в одном полупериоде, такая схема выпрямления называется однополупериодной;
- «опрокинуть» отрицательные полуволны относительно оси абсцисс, то есть превратить их в положительные. Вырабатываемая энергия задействуется в полном объеме и поскольку ток действует в течение обоих полупериодов, данную схему называют двухполупериодной.
На диаграммах обычно изображают выпрямленное напряжение, поскольку оно, в отличие от силы тока, не зависит от нагрузки.
Схемы выпрямителей
Схемы выпрямителей строятся на элементах с односторонней проводимостью (вентилях):
- современные низковольтные, в том числе используемые в быту: на полупроводниковых приборах — диодах и тиристорах (позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения);
- в старых устройствах и высоковольтные: на особой разновидности ламп — кенотронах.
Очевидно, что выпрямленный ток, независимо от способа выпрямления, является пульсирующим. Такую форму называют постоянно-импульсной. Некоторые потребители требуют сглаживания пульсаций, для чего схему дополняют конденсаторами.
То, какая схема выпрямления принята и какие элементы используются, влияет на характеристики выпрямителя:
- номинальное постоянное напряжение на выходе и его разброс (диапазон изменений);
- номинальный ток в обслуживаемой цепи;
- входное переменное напряжения и его допустимые отклонения. Например, ~220 /- 10%;
- допустимая пульсация выпрямленного напряжения на выходе (частота и амплитуда);
- нагрузочная характеристика;
- внутреннее сопротивление;
- коэффициент использования габаритной мощности трансформатора.
Схема выпрямления
Выше говорилось, что применяют две схемы выпрямления:
- однополупериодную;
- двухполупериодную.
- Также схемы по числу фаз делятся на:
- Каждый вариант стоит рассмотреть подробно.
- Для простоты понимания принципов работы выпрямителей, рассматриваются схемы для следующих условий:
- преобразуемый переменный ток поступает со вторичной обмотки трансформатора. Это наиболее распространенный случай, ведь даже перед подачей в домашнюю электросеть высоковольтный ток преобразуется трансформатором подстанции;
- выпрямитель питает активную нагрузку.
Однополупериодная
Самый простой вариант выпрямителя: последовательно с нагрузкой в цепь включают диод — полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, пропускающий ток в одном направлении. Каким контактом диод подключен к нагрузке (анодом или катодом) — не имеет значения.
Разница лишь в том, что в одном случае прибор пропускает положительные полуволны, в другом — отрицательные. Открывается диод при подаче на его анод положительного потенциала.
Однофазная однополупериодная схема
Характеристики данной схемы выпрямления:
- среднее значение напряжения: Uср = 0.318 Umax, где Umax — максимальное напряжение, то есть амплитуда выпрямляемого переменного напряжения. Для однофазной сети с действующим напряжением Uд = 220 В Umax составляет 311 В. Если за основу берется действующее значение, формула имеет вид: Uср = 0,45 Uд;
- коэффициент пульсаций. Характеризует качество работы выпрямителя. В данном случае этот параметр составляет 1,57;
- максимальное обратное напряжение на диоде: Uобр = Umax = 3,14 Uср.
Достоинства схемы:
- используется всего один диод;
- малые потери мощности и падение напряжения на выпрямителе.
Недостатки:
- неэффективное использование трансформатора;
- значительное обратное напряжение на диоде;
- высокий коэффициент пульсаций;
- наличие постоянной составляющей в протекающем через вторичную обмотку токе, отчего ухудшаются свойства сердечника из-за его подмагничивания;
- при работе с токами частотой 50-60 Гц требуются сглаживающие фильтры с большими габаритами.
Область применения таких выпрямителей — импульсные блоки питания (работают на частоте 10 кГц) и схемы, потребляющие малые токи.
Двухполупериодная
По двухполупериодной схеме работают такие выпрямители:
- диодный мост;
- балансная схема.
Диодный мост представляет собой замкнутую последовательность из 4-х диодов. В одну диагональ получившегося четырехугольника включают нагрузку, другую — включают в цепь вторичной обмотки трансформатора.
Схема двухполупериодного выпрямителя
При любой полярности напряжения в цепи вторичной обмотки ток через нагрузку протекает в одном направлении:
- положительная полуволна: открываются диоды VD2 и VD3, а VD1 и VD4 закрываются (для них данное напряжение — обратное);
- отрицательная полуволна: ток течет через диод VD1, нагрузку и диод VD4, тогда как диоды VD2 и VD3 напряжением с данной полярностью закрываются.
Характеристики схемы:
- среднее напряжение: Uср = 0,9 Uд = 0,636 Umax. Для сети с действующим напряжением Uд = 220 В Uср = 198 В;
- коэффициент пульсаций: 0,67. Свидетельствует о более качественной работе в сравнении с однополупериодной схемой;
- обратное напряжение на диодах: Uобр = Umax /2, то есть в два раза ниже, чем в однополупериодной схеме.
Схема двухполупериодного мостового выпрямителя
Мостовая схема — наиболее распространенная. Для сглаживания пульсаций ее дополняют конденсатором. При отсутствии нагрузки, напряжение на конденсаторе равно не Uср, а Umax.
То есть если мультиметр отображает выпрямляемое переменное напряжение равным 12 В (действующее значение), то на конденсаторе напряжение составит около 17 В (амплитудное значение). При наличии нагрузки, потенциал на выводах конденсатора будет ниже, но не менее Uср. Конкретная величина зависит от емкости.
Подбирают:
- число витков вторичной обмотки, чтобы напряжение на конденсаторе не превысило допустимое;
- емкость конденсатора, чтобы напряжение под нагрузкой не оказалось слишком низким.
Протекающий через вторичную обмотку трансформатора и диоды ток, имеет вид импульсов сложной формы с амплитудой, намного превышающей средний ток нагрузки.
Это объясняется тем, что диоды открываются только на короткое время, когда мгновенное значение входного переменного напряжения превышает постоянное напряжение на выводах конденсатора (окрестность экстремумов синусоиды). Данное явление следует учитывать при расчете трансформатора.
Балансный выпрямитель (двухполупериодный со средней точкой) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, включенных параллельно во встречном направлении. Схема действует при наличии вывода в средней точке вторичной обмотки трансформатора. Каждая часть обмотки подключается к своему выпрямителю, то есть они задействуются поочередно.
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
Балансную схему почти не применяют из-за двух существенных недостатков:
- высокая металлоемкость выпрямителя;
- значительные потери на нагрев обмотки трансформатора.
Ее применение было оправдано во времена, когда диоды еще обходились довольно дорого и уменьшение их числа с 4-х до 2-х компенсировало затраты на увеличение количества меди во вторичной обмотке.
