Как работает двухполупериодный выпрямитель

3.2.2. Двухполупериодный выпрямитель.

Рассмотрим схему и работу двухполупериодного выпрямителя, схема которого приведена на рис. 96.

Рис. 96. Двухполупериодный выпрямитель.

Рис. 97. Работа двухполупериодного выпрямителя (без накопительного конденсатора).

отличие от предыдущей схемы вторичная обмотка трансформатора выполнена с выводом точно от половины витков, который образует среднюю точку и подключается к общему проводу. Крайние выводы обмотки подключаются к анодам диодов, катоды которых соединены вместе и образуют положительный вывод выпрямителя. Между положительным выводом и общим проводом подключается нагрузка.

Работа схемы состоит в следующем. При положительном полупериоде на верхнем выводе вторичной обмотки будем иметь положительный потенциал относительно общего провода, а на нижнем выводе будем иметь отрицательный потенциал. Это приводит к тому, что p-n переход диода VD1 получает прямое смешение и находится в проводящем состоянии, а переход диода VD2 имеет обратное смещение и находится в непроводящем состоянии. Напряжение на обмотке 2а формирует на нагрузке напряжение пропорциональное положительному полупериоду (плюс на верхнем выводе Rнаг). Во время отрицательного полупериода потенциалы на концах вторичной обмотке меняются, и соответственно меняются состояния диодов. Диод VD2 находится в проводящем состоянии, а диод VD1 закрыт. Напряжение на обмотке 2б формирует на нагрузке напряжение пропорциональное отрицательному полупериоду, но на верхнем выводе Rнаг также будет положительное напряжение. Рассмотренная картина отображена на рис. 97.

Учитывая, что ток в нагрузку передается как в положительном, так и в отрицательном полупериоде время разряда накопительного конденсатора уменьшается более чем в два раза. Это хорошо видно на графике работы двухполупериодного выпрямителя с накопительным конденсатором показанном на рис. 98. П

Рис. 98. Работа двухполупериодного выпрямителя с накопительным конденсатором.

ри анализе графика нужно учитывать, что для сравнения работы выпрямителей нагрузка выбрана одинаковой Rнаг=1кОм и величина накопительного конденсатора одинакова Снак = 20 мкФ.

Совместный анализ графиков работы однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей позволяет сделать вывод о несомненном преимуществе последней схемы, так как в первом случае ∆t = 16,6мС и ∆Urнаг = 5В, а во втором — ∆t = 7,5мС и ∆Urнаг = 1,12В. Таким образом только изменение схемы выпрямления привело к уменьшению пульсаций более чем в четыре раза. Однако эта схема выпрямления имеет существенный недостаток состоящий в увеличении массогабаритных показателей, увеличение массы меди обмоток и железа трансформатора. Поэтому наибольшее распространение получила схема мостового выпрямителя.

3.2.3. Мостовой выпрямитель.

Мостовой выпрямитель представляет собой схему из четырех диодов, и показан на рисунке 99. В отличии от двухполупериодного выпрямителя для рассматриваемой схемы требуется трансформатор как и в однополупериодном выпрямителе т.е. без среднего вывода вторичной обмотки.

Рис. 99. Мостовой выпрямитель.

абота данной схемы состоит в следующем. При положительном полупериоде напряжения на вторичной обмотке имеет смысл предположить, что в прямосмещенном состоянии буду находиться диоды VD2, VD3, ток будет протекать по контуру указанному стрелкой. Напряжение на сопротивлении нагрузки будет равно напряжению на вторичной обмотке минус удвоенное падение напряжения на прямосмещенном диоде. К диодам VD1, VD4 будет приложено обратносмещающее напряжение равное разности напряжения на вторичной обмотке и напряжения на прямосмещенном диоде.

При отрицательном полупериоде напряжения на вторичной обмотке трансформатора прямосмещенными будут диоды VD1,VD4, а обратносмещенными — VD2, VD3. Однако ток протекающий по нагрузке направления не изменит.

Достоинства данной схемы определяются тем, что диоды должны быть рассчитаны на обратное напряжение равное амплитудному на вторичной обмотке, и на прямой ток примерно в два раза меньший, чем ток нагрузки.

К недостаткам данной схемы следует отнести увеличенное количество диодов.

Накопительная емкость должна иметь величину такую же, как и у двухполупериодного выпрямителя. Следовательно данная схема сочетает в себе достоинства обеих ранее рассмотренных схем выпрямителей.

3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.3. Схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку.

Рис. 3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

В схеме диоды VD1 иVD2 подключены к двум одинаковым вторичным полуобмоткам, действующее напряжение на которых равноU₂.

Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.4). Под действием переменного напряжения вторичной обмотки u₂диодVD1 проводит ток только в нечётные полупериоды, а диодVD2 – только в чётные. В нагрузке получается два полупериода пульсирующего напряжения, частота пульсаций в два раза выше частоты питающей сети. Приведённые выше формулы (3.1)…(3.4) выведены в общем виде, поэтому для рассматриваемой схемы будем записывать только окончательный результат.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока .

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде достигает удвоенной амплитуды значения напряжения вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки представляет собой сумму токов каждой из полуобмоток, поэтому подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Однако напряжение на закрытом диоде получается слишком большим, примерно в три раза больше выпрямленного напряжения, поэтому двухполупериодную схему используют при U_d30 В.

Рис. 3.4. Временная диаграмма работы однофазного двухполупериодного выпрямителя

Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

где P_d=U_dI_d– мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

Коэффициент использования трансформатора по мощности

3.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.5. В данной схеме у трансформатора только одна вторичная обмотка, но в нагрузку поступают два полупериода напряжения вторичной обмотки трансформатора. В нечётные полупериоды ток проходит через диод VD1, нагрузку, диодVD3. В чётные – через диодVD2, нагрузку, диодVD4.

Рис. 3.5. Однофазный мостовой выпрямитель

Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя представлена на рис. 3.6. Она практически не отличается от временной диаграммы двухполупериодного выпрямителя, только лишь отмечено прохождение тока через пары диодов VD1,VD3 иVD2,VD4, а также видно, что обратное напряжение на закрытом диодеU_b_._maxуменьшилось.

Среднее значение выпрямленного напряжения такое же, как в предыдущей схеме

Рис. 3.6. Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки

Подмагничивания сердечника трансформатора нет, что является существенным преимуществом данной схемы. Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

где P_d=U_dI_d– мощность постоянного тока в нагрузке.

Расчетная мощность первичной обмотки

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

Коэффициент использования трансформатора по мощности

Для удобства сравнения различных схем выпрямителей составим таблицу основных электрических параметров.

Основные электрические параметры однофазных выпрямителей

Проведённый анализ работы схем выпрямителей не учитывал влияние на выходное напряжение выпрямителя внутреннего сопротивления трансформатора и сопротивления диодов, а также потерь из-за прямого падения напряжения на открытых диодах.

На холостом ходувыпрямителя выходное напряжение будет меньше расчётного на величину прямого падения напряжения на открытых диодах. Для однополупериодной и двухполупериодной схемы последовательно с нагрузкой включён только один диод, а в мостовой схеме – два. Поэтому мостовая схема для малых выходных напряжений не применяется, так как падение напряжения на двух диодах существенно снижает коэффициент полезного действия схемы. Предположим, выходное напряжение выпрямителя равно 3 В. На каждом из диодов мостовой схемы прямое падение напряжения составит около 1 В, итого 2 В. То есть трансформатор должен иметь на вторичной обмотке запас по напряжению в 40% из-за потерь в диодах.

Под нагрузкойвыходное напряжение выпрямителя начнёт уменьшаться из-за потерь напряжения на внутреннем сопротивлении трансформатора и диодов. Зависимость выходного напряжения выпрямителя от тока нагрузки называетсявнешней характеристикой.

Уравнение внешней характеристики

, (3.14)

где U_d₀– напряжение холостого хода выпрямителя;

r_a– активное сопротивление трансформатора;

r_пр– прямое динамическое сопротивление диодов;

I_d– ток нагрузки.

Как следует из выражения (3.14) внешняя характеристика выпрямителя, работающего на активную нагрузку, представляет собой прямую линию. Примерный вид внешней характеристики представлен на рис. 3.7.

Рис. 3.7. Внешняя характеристика выпрямителя с активной нагрузкой

Более подробные сведения об однофазных выпрямителях приведены в литературе [11, 14, 20].

1. Для чего применяются выпрямители?

2. Приведите классификацию и перечислите основные параметры выпрямителей.

3. Нарисуйте схему однополупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

4. Нарисуйте схему двухполупериодного однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

5. Нарисуйте схему мостового однофазного выпрямителя с активной нагрузкой и его временную диаграмму работы.

14. Двухполупериодный выпрямитель, принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока.

-27- Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на общую нагрузку. В этой схеме каждый из диодов проводит ток только в течение той части периода, когда анод имеет более высокий потенциал относительно катода, в этом случае диод открыт. За период входного напряжения u 1 или вторичного напряжения u 2 в один полупериод диод VD1 проводит ток i’ 2 , а в другой полупериод — проводит ток i» 2 диод VD2. В результате временные диаграммы токов и напряжений приобретают вид, представленный на рисунке 7.6. Пульсация тока при двухполупериодной схеме значительно уменьшается, так как коэффициент пульсации в этом случае равен:

-28-

A i

= 0,667 , где

2I m

I ср

ср

4I m

— амплитуда основной гармоники выпрямленного тока.

3π

По сравнению со схемой с нулевой точкой, мостовая схема обладает меньшей на 20% расчётной мощностью, а внешняя характеристика мостовой схемы является менее жёсткой, чем в однополупериодной и двухполупериодной с нулевой точкой схемах выпрямителей. Мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя переменного тока:

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Принцип действия, схема, расчет

Существует еще одна, более популярная конструкция двухполупериодного выпрямителя, построенная на основе конфигурации с четырьмя диодами. Такая конструкция известна как двухполупериодный мостовой выпрямитель или просто мостовой выпрямитель.

Преимущество этого типа выпрямителя по сравнению с версией выпрямителя с центральным отводом заключается в том, что для него не требуется сетевой трансформатор с центральным отводом во вторичной обмотке, что резко снижает его размер и стоимость.

Также эта конструкция использует полностью все вторичное напряжение в качестве входного. Используя тот же трансформатор, мы получаем вдвое больше пикового напряжения и вдвое больше постоянного напряжения с мостовым выпрямителем, чем с двухполупериодным выпрямителем с центральным отводом. Именно поэтому мостовые выпрямители используются гораздо чаще, чем двухполупериодные со средней точкой.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Чтобы выпрямить оба полупериода синусоидальной волны, как мы уже говорили ранее, в мостовом выпрямителе используются четыре диода, соединенных вместе в конфигурации «моста». Вторичная обмотка трансформатора подключена с одной стороны диодного моста, а нагрузка — с другой.

На следующем рисунке показана схема мостового выпрямителя.

Во время положительного полупериода переменного напряжения диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, в то время как диоды D3 и D4 смещены в обратном направлении. Это создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе (обратите внимание на плюс-минус полярности на нагрузочном резисторе).

В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а диоды D1 и D2 — в обратном. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.

Обратите внимание, что независимо от полярности напряжения на входе, полярность на нагрузке постоянная, а ток в нагрузке течет в одном направлении. Таким образом, схема преобразует входное переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение.

Если вам трудно запомнить правильное расположение диодов в схеме мостового выпрямителя, вы можете обратиться к альтернативному представлению схемы. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды расположены горизонтально и направлены в одном направлении.

Значение постоянного напряжение выходного сигнала

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

Это уравнение говорит нам, что значение постоянного напряжения составляет около 63,6 процента от пикового значения. Например, если пиковое переменное напряжение составляет 10 В, то постоянное напряжение будет 6,36 В.

Когда вы измеряете напряжение на выходе мостового выпрямителя с помощью вольтметра, показание будет равно среднему значению.

Аппроксимация второго порядка

В действительности мы не получаем идеальное напряжение на нагрузочном резисторе. Из-за потенциального барьера, диоды не включаются, пока источник напряжение не достигнет около 0,7 В.

И поскольку в мостовом выпрямителе работают по два диода за раз, то падение напряжения составит 0,7 x 2 = 1,4 В. Таким образом, пиковое выходное напряжение определяется следующим образом:

Выходная частота

Полноволновой выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого у такого выпрямителя на выходе в два раза больше циклов, чем на входе. Поэтому частота полноволнового сигнала в два раза превышает входную частоту.

Например, если частота на входе составляет 50 Гц, выходная частота будет 100 Гц.

Фильтрация постоянного напряжения

Сигнал на выходе, который мы получаем от двухполупериодного мостового выпрямителя, является по сути пульсирующим постоянным напряжением, которое вырастает до максимума, а затем снижается до нуля.

Для того чтобы избавиться от пульсаций, нам необходимо отфильтровать двухволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить сглаживающий конденсатор.

Первоначально конденсатор разряжен. На протяжении первой четверти цикла диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении и из-за этого сглаживающий конденсатор начинает заряжаться. Процесс заряда длится до тех пор, пока напряжение с мостового выпрямителя не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как напряжение с выпрямителя достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только напряжение снизиться ниже Vp соответствующая пара диодов (D1 и D2) не будет проводить.

Когда диоды выключены, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, конденсатор заряжается уже через диоды D3 и D4 до пикового значения.

Недостатки мостового выпрямителя

Единственным недостатком мостового выпрямителя является то, что выходное напряжение меньше, чем входное напряжение на 1,4 В, в результате падения на двух диодах.

Этот недостаток ощутим только в источниках питания с очень низким напряжением. Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 5 В, то напряжение нагрузки будет иметь только 3,6 В.

Но если пиковое напряжение источника составляет 100 В, напряжение нагрузки будет близко к идеальному двухполупериодному напряжению и влияние падения на диодах будет не значительным.