Двухполупериодный выпрямитель: схемы, принцип работы

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типовая схема такого устройства с минимумом элементов.

Схема: простейший преобразователь

Обозначения:

• Тр — трансформатор;
• DV-порт (диод);
• Cf — емкость (играет роль выравнивающего фильтра);
• Rn — подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим форму сигнала в контрольных точках U1, U2 и Un.

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Объяснение:

• в контрольной точке U1 отображается схема, снятая на входе в устройство;
• U2 — схема перед емкостным сглаживающим фильтром;
• Un — осциллограмма на нагрузке.

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

Недостатки такой компоновки очевидны — это низкий КПД, как следствие высокий уровень пульсаций. Но, несмотря на это, устройства этого типа находят свое применение в схемах с малым энергопотреблением.

Значение постоянного напряжение выходного сигнала

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

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

Когда вы измеряете напряжение на выходе мостового выпрямителя вольтметром, показание будет средним.

Аппроксимация второго порядка

В реальности мы не получаем идеального напряжения на нагрузочном резисторе. Из-за потенциального барьера диоды не включаются до тех пор, пока напряжение источника не достигнет прибл. 0,7 В.

А так как мостовой выпрямитель работает одновременно с двумя диодами, то падение напряжения составит 0,7 х 2 = 1,4 В. Таким образом, пиковое выходное напряжение определяется следующим образом:

Выходная частота

Двухполупериодный выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого такой выпрямитель имеет на выходе в два раза больше циклов, чем на входе. Следовательно, частота полноволнового сигнала в два раза превышает входную частоту.

Например, если входная частота составляет 50 Гц, выходная частота будет равна 100 Гц.

Фильтрация постоянного напряжения

Выходной сигнал, который мы получаем от двухполупериодного мостового выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое возрастает до максимума, а затем падает до нуля.

Чтобы избавиться от пульсаций, нам нужно отфильтровать двухволновой сигнал. Одним из способов сделать это является подключение сглаживающего конденсатора.

Конденсатор разряжается первым. В течение первой четверти цикла диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, что приводит к началу зарядки сглаживающего конденсатора. Процесс заряда продолжается до тех пор, пока напряжение мостового выпрямителя не достигнет пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

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

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

Недостатки мостового выпрямителя

Единственным недостатком мостового выпрямителя является то, что выходное напряжение меньше входного на 1,4 В из-за падения напряжения на двух диодах.

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

Но если пиковое напряжение источника составляет 100 В, напряжение нагрузки будет близко к идеальному двухполупериодному напряжению, и влияние падения напряжения на диоде будет незначительным.

Назначение

Основное назначение однофазного двухполупериодного выпрямителя — преобразование переменного тока в постоянный. Чтобы понять принцип работы такого выпрямителя, необходимо понять, что такое однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель представляет собой устройство, состоящее из трансформатора и диода (клапана), подключенного к вторичной обмотке трансформатора. Устройство работает следующим образом:

1. Синусоидальный ток представляет собой цикл из 2 периодов: положительного и отрицательного.
2. При протекании по цепи положительного полупериода диод открывается и проходит дальше по цепи.
3. При возникновении отрицательного полупериода диод не открывается и прерывает этот цикл.

Таким образом, через цепь проходит только высокий пульсирующий ток. Для сглаживания этого эффекта схема дополнена конденсатором большой емкости.

Основным недостатком такой схемы являются большие потери тока и необходимость использования мощных сглаживающих конденсаторов. Такое устройство используется, например, для зарядных устройств для мобильных телефонов.

Примерно по аналогичной схеме построен двухполупериодный однофазный выпрямитель. Основное отличие заключается в добавлении 2 или более полупроводниковых диодов для сглаживания обоих полупериодов. Различают следующие виды таких элементов:

1. Мост.
2. С центральной точкой.

В каждом устройстве используется разное количество инверторов, а значит, у него разный принцип работы.

Схема со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель с центральной точкой предполагает трансформатор с двумя вторичными обмотками, имеющими центральный вывод. Можно использовать и трансформатор со вторичной обмоткой, но он обязательно будет иметь провод от середины обмотки. Кроме того, в схеме присутствуют 2 диода.

Выпрямитель с нулевым выходом работает, генерируя ЭДС в разных направлениях. Оба этих электромагнитных поля одинаково велики по генерируемому напряжению по отношению к центру или нулевой точке. При работе такого трансформатора ток в обеих полуобмотках сдвинут по фазе на 180 градусов.

Принцип работы этого выпрямителя следующий:

1. Трансформатор имеет клеммы «w21» и «w22», которые имеют противоположное значение .
2. К этим выводам подключены аноды вентилей «вд1» и «вд2».
3. Напряжение, подаваемое на каждый диод, имеет противофазу («u21» — «u22» на схеме).
4. В течение первого полупериода ток протекает через открытый диод «vd1». Ток протекает через анод только при положительном потенциале. В течение этого полупериода диод «vd2» находится в состоянии обратного смещения. Он заперт и не пропускает ток с обмотки «w22».
5. Во время второго полупериода на аноде «vd2» протекает ток положительного потенциала, открывая диод. Диод проводит через себя ток с обмотки «w22». Диод «vd1» остается закрытым.

Двухполупериодная схема нулевой точки работает без смещающего момента. Каждая половина вторичной обмотки работает в своем полупериоде, а это значит, что трансформатор находится под постоянной нагрузкой.

Плюсы

Схема с нулевым выходом имеет преимущества только по сравнению с моделью однотактного выпрямителя. Основные преимущества такого расположения:

1. Во время работы ток передается на оба потенциала, что позволяет экономить до 90% исходной энергии.
2. 2 диода равномерно распределяют нагрузку, продлевают срок службы и значительно снижают нагрузку на всю цепь.
3. Схема двухполупериодного выпрямителя предполагает сглаженные пульсации тока, без применения высоковольтных емкостных конденсаторов.

Несмотря на ряд достоинств, однофазные выпрямители с двумя диодами имеют и недостатки, о которых речь пойдет ниже.

Минусы

Для работы такой схемы необходим специальный трансформатор с 2-мя вторичными обмотками или разъемный, с нулевым выходом. Такие устройства увеличивают стоимость производства высоковольтных мощных устройств.

Также большим минусом является нагрузка обратным током. В схеме должны использоваться диоды с номинальным напряжением до 1000 вольт и способностью выдерживать температуру до +80 градусов. При несоблюдении этих параметров при закрытии диода будет образовываться повышенная температура и сопротивление. Превышение параметров приведет к пробою самого диода.

Следующим недостатком является использование самого нулевого вывода. Его подключение предполагает использование только части доступной энергии, что значительно снижает потенциал таких устройств.

Диодный мост

Другой тип — двухполупериодные мостовые выпрямители. Эта модель наиболее распространена в схемах бытовых и промышленных электронных устройств. Состав электронного элемента:

1. Трансформер.
2. 4 полупроводниковых диода.
3. Конденсатор для выравнивания импульсов.
4. Сопротивление как дополнительное сопротивление.

Блок моста работает следующим образом:

1. 4 полупроводниковых диода соединены между собой в цепь. Другими словами, они образуют пары.
2. Одна сторона каждой пары подключена к клеммам вторичной обмотки трансформатора.
3. Две другие стороны связаны с цепью (нагрузкой). В случае представленной схемы нагрузкой является сопротивление «Rн».
4. При формировании первого полупериода диоды «vd1-vd4» открываются и подают ток на нагрузочный резистор Rn. Диодная пара «vd2-vd3» замкнута.
5. Во время второго полупериода 1 пара диодов (vd1-vd4) закрыта. В работу вступают диоды «vd2-vd3». Они открываются и перенаправляют ток на резистор Rн.

При этой операции сохраняется эффект пульсаций тока. Сглаживается емкостным конденсатором.

Преимущества

Двухполупериодное мостовое выпрямление имеет явное преимущество перед схемами с меньшим количеством диодов. Он состоит из значений обратного выпрямленного тока и напряжения. Эти значения превышают аналогичные параметры в других схемах в 2 и более раз. Таким образом, мостовая схема имеет значительно более высокий КПД.

Минусы

Недостатки диодного моста также заключаются в количестве диодов. Каждый из 4-х диодов поддерживает в закрытом положении обратное напряжение, равное напряжению в однополупериодном выпрямителе. Таким образом, 4 диода не помогают снизить нагрузку обратного тока на вторичную обмотку.

Несмотря на свои недостатки, схема мостового выпрямителя более распространена. Он может быть установлен как 4 диода или как сборка. Монтаж выглядит более практичным вариантом. Занимает меньше места на печатной плате.

Читайте также: Однолинейная схема электроснабжения – общие понятия, виды и проектирование

Сглаживание

Однофазный электрический двухполупериодный выпрямитель, сколько бы диодов он ни объединял, требует дополнительного сглаживания выходного напряжения. Пульсации сильно влияют на работу самого устройства, для которого и собран такой выпрямитель. Для сглаживания пульсаций тока схема выпрямителя дополнена фильтрами. Их можно получить из:

1. Конденсатор большой мощности. Одним из таких фильтров является емкостный или «С-фильтр». В момент открытия диода конденсатор заполняется током и играет роль емкости. В момент закрытия диода происходит постепенный разряд емкости, таким образом сглаживая напряжение без каких-либо скачков.
2. Катушки индуктивности. Катушку индуктивности в качестве фильтра можно использовать в дополнение к конденсатору или вместо него. Такой фильтр работает по принципу отсутствия мгновенного изменения тока на катушке. По мере прохождения положительной полуволны через катушку значение тока постоянно и медленно увеличивается. При изменении полуволны на отрицательное значение ток в катушке изменяется с задержкой, что значительно снижает остроту пульсаций.

При проектировании диодных выпрямителей учитывают нагрузку на последующие элементы цепи. Так что если сопротивление после выпрямителя значительно мало, то применение емкостного фильтра нецелесообразно. Для более легкой нагрузки потребуется более емкий конденсатор. Поэтому для таких низкоомных цепей рациональнее использовать индуктивный фильтр.

Расчет значения диодов

Диоды в двухполупериодных выпрямителях должны выдерживать нагрузку переменного тока, нагрев, обратное напряжение. При выборе диода учитывайте:

1. Выходное напряжение диода должно быть на 15-25% выше требуемого значения. Например, если вы хотите снять 12 вольт постоянного тока, вторичная обмотка трансформатора должна выдавать не менее 15-17 вольт.
2. Порог тока срабатывания должен быть в полтора-два раза выше тока выпрямителя. Максимальный ток каждого диода в цепи можно найти по следующей формуле:
3. Значение, полученное из формулы, можно использовать для определения значения обратного напряжения в закрытом состоянии. Это значение должно быть в два раза больше выходного напряжения трансформатора, иначе возможен обратный пробой p-n. Делается это по следующей формуле:

Также стоит учитывать материал, используемый в качестве полупроводника. Кремниевые элементы более устойчивы к нагрузке обратным током и способны работать при температуре до +150 градусов. Германии менее стабильны, их сопротивление обратному напряжению составляет около 400 вольт.

Принцип действия двухполупериодной схемы

Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.

Простейший неуправляемый симметричный двухдиодный преобразователь с использованием среднего оконечного трансформатора

Используемые предметы:

• Тр — трансформатор, имеющий две одинаковые вторичные обмотки (или одну с отводом посередине);
• ДВ1 и ДВ2 — вентили (диоды);
• Cf – емкостный фильтр;
• Rn – сопротивление нагрузки.

Для наглядности сразу приведем осциллограмму в контрольных точках.

Схема устройства балансного типа

• U1 – осциллограмма на входе;
• U2 — график перед емкостным фильтром;
• Un — диаграмма на выходе устройства.

Эта схема представляет собой два комбинированных полуволновых преобразователя, то есть два отдельных источника имеют общую нагрузку. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Отсюда видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.

На осциллограмме наглядно видны преимущества такого устройства, а именно следующие факты:

• частота пульсаций на выходе устройства увеличена вдвое;
• уменьшение «промежутка» между импульсами позволяет использовать фильтр меньшей емкости;
• двухтактный преобразователь имеет более высокий КПД, чем полуволновой.

Теперь рассмотрим тип моста, он показан на рисунке ниже.

Схема: Пример использования диодного моста

Осциллограмма прибора мостового типа практически не отличается от балансной, поэтому приводить ее нет смысла. Самое большое преимущество такой схемы в том, что нет необходимости использовать более сложный трансформатор.

Преобразователи с использованием полупроводникового диодного моста широко применяются как в электротехнике (например, в сварочных аппаратах, где номинальный ток может достигать до 500 ампер), так и в радиоэлектронике, как источник для слаботочных цепей.

Отметим, что помимо полупроводниковых диодов могут применяться и вакуумные диоды — кенотроны (пример схемы такого прибора показан ниже).

Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

По сути, представленная схема является классической реализацией двухполупериодного балансного преобразователя. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не используются, им на смену пришли полупроводниковые аналоги.

Как организовать двухполярное питание

Объединив симметричную схему и мостовую схему, можно получить преобразователь, который будет выводить двухполярный ток с общей (нулевой) точкой. Причем для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко используются в БП цифровой радиотехники.

Диаграмма: пример преобразователя с биполярным выходом

Как реализовать удвоение напряжения

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

Схема удвоения напряжения

Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а так как они включены последовательно, то общее напряжение на «Rn» будет в результате в два раза выше, чем на входе.

В преобразователе с таким множителем можно использовать трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.

Использование операционных усилителей

Как известно, вольт-амперная характеристика диодов нелинейна, создав однофазный прецизионный (высокоточный) двухполупериодный выпрямитель на микросхеме ОУ, можно значительно уменьшить погрешность. Кроме того, возможно создание преобразователя, позволяющего стабилизировать ток на нагрузке. Пример такого устройства показан ниже.

Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе

На рисунке показан 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 на нагрузке Rн и диодном мосту Д1-Д4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно немного усложнить, добавив стабилитрон. Он подключен параллельно с уравнительной емкостью.

Кратко об управляемых преобразователях

Часто бывает необходимо проверить напряжение на выходе инвертора без изменения входа. Для этой цели наиболее оптимальным будет использование регулируемой арматуры, пример такой реализации показан ниже.

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

Трехфазный выпрямитель

Мы рассматривали разные реализации однофазных двухполупериодных преобразователей, но аналогичные устройства используются и для трехфазных источников. Ниже в качестве примера показано устройство, выполненное по схеме Ларионова.

Пример реализации схемы Ларионова
Осциллограмма на выходе схемы Ларионова

Как видно из графика выше, реализация мостовой схемы между парами фаз позволяет получить на выходе небольшие пульсации. Благодаря этому производительность фильтрации может быть значительно снижена или вовсе исключена.

Проектирование

расчет даже простого двухполупериодного инвертора — непростая задача. Его можно значительно упростить с помощью специального программного обеспечения. Мы рекомендуем вам выбрать программу Electronics Workbench, которая позволяет выполнять схематическое моделирование аналоговых и цифровых электрических устройств.

Смоделировав в этой программе двухполупериодный выпрямитель, можно получить наглядное представление о принципе его работы. Встроенные формулы позволяют рассчитать максимальное обратное напряжение для диодов, оптимальную емкость гасящего конденсатора и т д

Подведем итоги

• Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
• Однополупериодный выпрямитель представляет собой схему, которая позволяет только половине синусоиды переменного напряжения достигать нагрузки, что приводит к необратимой полярности на ней. Результирующее постоянное напряжение, подаваемое на нагрузку, значительно «пульсирует».
• Двухполупериодный выпрямитель представляет собой схему, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одинаковой полярности. Результирующее постоянное напряжение, подаваемое на нагрузку, не так сильно «пульсирует.
• Многофазное переменное напряжение при выпрямлении обеспечивает более «гладкую» форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.