Однополупериодный выпрямитель.
Схема однополупериодного выпрямителя выглядит следующим образом:
Пусть на входе у нас переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону:
Резистор же R_н играет роль нагрузки. То есть мы должны обеспечить протекание через него постоянного тока. Давайте разберемся как эта простейшая схема сможет решить нашу задачу!
Итак, диод D_1 пропускает ток только в одном направлении, в те моменты, когда к нему приложено прямое смещение, что соответствует положительным полупериодам (U_{вх}\gt0) входного сигнала. Когда к диоду будет приложено обратное смещение (отрицательные полупериоды), он будет закрыт и по цепи будет протекать только незначительный обратный ток. И в результате сигнал на нагрузке будет выглядеть так:
Обратным током обычно можно пренебречь, поэтому в итоге мы получаем, что ток через нагрузку протекает только в одном направлении. Но назвать его постоянным не представляется возможным Ток через нагрузку хоть и является выпрямленным (протекает только в одном направлении), но носит пульсирующий характер.
Для сглаживания этих пульсаций в схему выпрямителя тока обычно добавляется конденсатор:
Идея заключается в том, что во время положительного полупериода, конденсатор заряжается (запасает энергию). А во время отрицательного полупериода конденсатор, напротив, разряжается (отдает энергию в нагрузку).
Таким образом, за счет накопленной энергии конденсатор обеспечивает протекание тока через нагрузку и в отрицательные полупериоды входного сигнала. При этом емкость конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, равное половине периода.
Проверяем напряжение на нагрузке для этой схемы:
В точке 1 конденсатор заряжен до напряжения U_1. Далее входное напряжение понижается, а конденсатор, в свою очередь, начинает разряжаться на нагрузку. Поэтому выходное напряжение не падает до нуля вслед за входным.
В точке 2 конденсатор успел разрядиться до напряжения U_2. В то же время значение входного сигнала также становится равным этой же величине, поэтому конденсатор снова начинает заряжаться. И эти процессы в дальнейшем циклически повторяются.
А теперь поэкспериментируем и используем в схеме однополупериодного выпрямителя конденсатор меньшей емкости:
И здесь мы видим, что конденсатор из-за меньшей емкости успевает разрядиться гораздо сильнее, и это приводит к увеличению пульсаций, а следовательно к ухудшению работы всей схемы.
На промышленных частотах 50 – 60 Гц однополупериодный выпрямитель практически не применяется из-за того, что для таких частот потребуются конденсаторы с очень большой емкостью (а значит и внушительными габаритами).
Смотрите сами, чем ниже частота, тем больше период сигнала (а вместе с тем, и длительности положительного и отрицательного полупериодов). А чем больше длительность отрицательного полупериода, тем дольше конденсатор должен быть способен разряжаться на нагрузку. А это уже требует большей емкости.
Таким образом, на более низких частотах в силу своих ограничений эта схема не нашла широкого применения. Однако, на частотах в несколько десятков КГц однополупериодный выпрямитель используется вполне успешно.
Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:
- К основным достоинствам схемы, в первую очередь, конечно же, можно отнести простоту и, соответственно, небольшую себестоимость – используется всего один диод.
- Кроме того, снижено падение напряжения. , при протекании тока через диод на нем самом падает определенное напряжение. По сравнению с мостовой схемой (которую мы разберем в следующей статье), ток протекает только через один диод (а не через два), а значит и падение напряжения меньше.
Основных недостатков также можно выделить несколько:
- Схема использует энергию только положительного полупериода входного сигнала. То есть половина полезной энергии, которую также можно было бы использовать, уходит просто в никуда. В связи с этим КПД выпрямителя крайне низок.
- И даже с использованием сглаживающих конденсаторов величина пульсаций довольно-таки значительна, что также является очень серьезным недостатком.
Итак, давайте резюмируем! Мы разобрали схему и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя тока, а в следующей статье перейдем к более сложным схемам выпрямителей, не пропустите!
Выпрямители: Однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель
Существенным недостатком схемы двухполупериодного выпрямления со средней точкой является потребность в двух источниках входного напряжения. Такая потребность обусловлена тем, что один из выводов сопротивления нагрузки периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.
Однако необходимость в средней точке отпадет, если и второй вывод нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подключаться к неиспользуемым на соответствующем интервале времени выводам источников питания. Схемотехническая реализация такого метода представлена на рис. 3.4‑9. Эта схема носит название однофазного мостового выпрямителя и является, вероятно, самой распространенной из всех схем выпрямления, предназначенных для работы с однофазными источниками переменных напряжений.
Рис. 3.4-9. Схема однофазного мостового выпрямителя
Также как и в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой, в мостовой схеме напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего периода изменения напряжения \(U_{вх}\). При этом его значение при \(U_{вх} = U_{вх1} + U_{вх2}\) в два раза превышает выходное напряжение схемы рис. 3.4-8. Поэтому при одном и том же напряжении нагрузки в мостовой схеме к обратносмещенным диодам прикладывается напряжение в два раза меньшее, чем в схеме рис. 3.4-8 (\(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi \cdot U_{н ср}/2 \) ).
Средние значения тока и напряжения на нагрузке для однофазного мостового двухполупериодного выпрямителя будут такими же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой:
\(U_{н ср} = \cfrac{2 \cdot U_{вх max}}{\pi} = 2 \sqrt{2} \cdot \cfrac{U_{вх д}}{\pi} = {0,637} \cdot U_{вх max} \)
\(I_{н ср} = \cfrac{2 \cdot I_{вх max}}{\pi} = 2 \sqrt{2} \cdot \cfrac{I_{вх д}}{\pi} = {0,637} \cdot I_{вх max} \)
Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в двухполупериодной мостовой схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой: \(K_п = {0,67}\).
Особенностью мостовой схемы является то, что в ней последовательно с нагрузкой все время включено два диода, в то время как в описанных выше однофазной однополупериодной и однофазной двухполупериодной схемах такой диод один. Поэтому при низких входных напряжениях (4…5 В) использование мостовой схемы может оказаться неэффективным (падение напряжения на диодах по величине будет сравнимо с выходным напряжением выпрямителя) — для повышения КПД обычно применяют двухполупериодную схему со средней точкой (возможен также переход к использованию диодов Шоттки с малым падением напряжения при прямом смещении). С повышением напряжения разница в КПД схем уменьшается и определяющим фактором становится величина обратного напряжения, прикладываемого к запертым диодам в процессе работы выпрямителя. Поэтому при больших уровнях выходного напряжения обычно используют выпрямитель выполненный по мостовой схеме.
Если мостовую схему выпрямления использовать совместно с источником, снабженным средней точкой, и средний выход каждой пары диодов соединить со средней точкой входного источника через собственную нагрузку, на выходе выпрямителя получится два равных, но обратных по знаку напряжения (рис. 3.4-10). Такая схема выпрямителя часто используется для питания устройств, построенных с применением операционных усилителей.
Рис. 3.4-10. Схема мостового выпрямителя с двумя выходными напряжениями
| Следующая > |
Принцип работы выпрямителя
Структурная схема выпрямителя показана ниже:
Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.
Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.
В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.
Однофазная мостовая схема выпрямления
Наибольшее распространение получила мостовая схема выпрямления, исследуемая в данной лабораторной работе (рис.2.1,а). Из рисунка видно, что выпрямитель содержит четыре вентиля V1-V4,включенных по мостовой схеме. На одну диагональ моста подается переменное напряжение, а с другой диагонали моста выпрямленное напряжение подается .на нагрузку RH.
Каждая пара диодов (V1;V4 и V2;VЗ)работают поочередно. Диоды V1;V4открыты в первый полупериод напряжения U2,когда потенциал точки Авыше потенциала точки В.В интервале от 0 до Т/2токi2 протекает от точки Ачерез вентиль V1, резистор RH,вентильV4,точкуВ,источникU2(обычно вторичная обмотка трансформатора, которая на схеме не указана), к точке А.Во второй полупериод потенциал точки Ввыше, чем потенциал точки А.Ток протекает от точки Вчерез вентиль V2,резистор Rн вентиль V3, источник U2 к точке В.
На рис. 2.1 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия выпрямителя, выполненного по мостовой схеме.
Среднее значение выпрямленного напряжения Uопределяют как среднее за полупериод значение напряжения U2
гдеU2 — действующее значение напряжения и2 .
Обратное напряжение прикладывается одновременно к двум непроводящим диодам на интервале проводимости двух других диодов. Форма обратного напряжения для диодов VI,V4 показана на рис. 2.1,г. Максимальное обратное напряжение определяется амплитудным значением напряжения U2m:
Рис. 2.1. Схема однофазного мостового выпрямителя (а)и его временные диаграммы (б-г)
Как видно из рис. 2.1,в,выпрямленное напряжение имеет пульсирующий характер. Разложение такой периодической функции в ряд Фурье показывает, что она состоит из суммы постоянной составляющей(U)и четных гармонических составляющих, т.е.
Для оценки качества выпрямленного напряжения пользуются коэффициентом пульсации Кп, который равен отношению амплитудного значения первой гармоники выпрямленного напряжения Um1к постоянной составляющей, равной среднему значению выпрямленного напряженияU:
При мостовой схеме выпрямителя Um1=2/3U, тогда Kп= 0,б7, и коэффициент пульсации можно вычислить по формуле:
гдет — числофаз. Для исследуемого выпрямителя т = 2:
Для питания большинства электронных устройств напряжение такой формы не обеспечивает нормальную работу, поэтому пульсации стремятся уменьшить до заданного уровня. Устройства, с помощью которых достигается снижение пульсаций, называют сглаживающими фильтрами.
В зависимости от принципа действия и используемыхэлементов сглаживающие фильтры разделяют на активные и пассивные. Простейшимпассивным фильтром является емкостной фильтр, исследуемый в данной работе (рис.2).
При подключении конденсатора параллельно нагрузке пульсирующий ток распределитсяследующим образом: переменная составляющая пройдет через конденсатор, так как онобладает малым сопротивлением для всех гармоник тока, а постоянная составляющая — черезRн.Коэффициент пульсации Кпф в данном случае можно определить по формуле (рис. 2.3)
Зависимость среднего значения выпрямленного напряжения отсреднего значения тока нагрузки I, то есть U=f(I)называютвнешней характеристикой выпрямителя. Вид внешних характеристик выпрямителя без фильтра и с емкостным фильтром показан на рис. 2.4.
Рассмотрим внешнюю характеристику выпрямителя без сглаживающего фильтра. Без учета падений напряжения на элементах выпрямителя напряжение Uсвязано с напряжением U2 соотношением U=0,9U2.
Для реального выпрямителя это соотношение справедливо при токе нагрузки I=0. При I ≠ 0 при протекании токов через элементы выпрямителя (диоды, соединительные провода, источник U2)на них создаются падения напряжения, вследствие чего выпрямленное напряжениеUуменьшается (рис. 2.4). Увеличение тока I приводит к большим падениям напряжения на элементах выпрямителя и, соответственно, к снижению напряжения U.Поэтому внешняя характеристика выпрямителя имеет падающий характер.
Рис. 2.4. Внешние характеристики однофазного выпрямителя (U=f(I): 1 — без фильтра; 2—с фильтром
При наличии емкостного фильтра при холостом ходе (I = )конденсатор заряжается до амплитудного значения напряжения U2m,т.е.U = √2U2. При увеличении тока нагрузки I снижение напряженияUсвязано с более быстрым разрядом конденсатора. Поэтому наклон внешней характеристики выпрямителя с емкостным фильтром больше, чем без фильтра.
Принцип действия
Необходимый эффект при работе устройства создают особенности p-n перехода. Заключаются в том, что рядом с переходом двух полупроводников встраивается слой, который характеризуется двумя моментами: большим сопротивлением и отсутствием носителей заряда. Далее при воздействии на данный запирающий слой переменного напряжения извне толщина его уменьшается и впоследствии исчезает. Возрастающий во время этого ток и является прямым током, который проходит от анода к катоду. В случае перемены полярности внешнего переменного напряжения запирающий слой будет больше, и сопротивление неминуемо возрастет.
ВАХ выпрямительного диода (вольт-амперная характеристика) также дает представление о специфике работы выпрямителя и является нелинейной. Выглядит следующим образом: существует две ветви – прямая и обратная. Первая отражает наибольшую проводимость полупроводника при возникновении прямой разницы потенциалов. Вторая указывает на значение низкой проводимости при обратной разнице потенциалов.
Вольт-амперные характеристики выпрямителя прямо пропорциональны температуре, с повышением которой разность потенциалов сокращается. Электрический ток не пройдет через устройство в случае низкой проводимости, но лавинный пробой происходит в случае возросшего до определенного уровня обратного напряжения.
Описание выпрямителей
Трехфазный мостовой выпрямитель Основное отличие устройств от своих однофазных аналогов проявляется в следующем:
- первые устанавливаются в линиях 220 Вольт и служат для получения постоянных токов незначительной величины (до 50-ти Ампер);
- трехфазные выпрямители используются в цепях, где рабочие (выпрямленные) токи существенно превышают этот показатель и достигают нескольких сотен Ампер.
- в сравнении с однофазными образцами эти приборы имеют более сложное устройство.
Известны схемы выпрямления трехфазного напряжения, позволяющие получить на выходе минимальный уровень пульсаций.
В электротехнике они называются «трехфазные мостовые выпрямители», так как по способу открывания диодов, управляемых полярностью напряжения, они напоминают мост через реку с односторонним движением. Только направление потока электронов в них чередуется с частотой 50 Гц, недоступной для проезда машин поочередно в каждую из сторон.
Плоскостные диоды
В действительности же плоскостной диод представляет собой одну пластину полупроводника, в объеме которой созданы две области разной электропроводности. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхности квадратной пластины площадью 2 — 4 мм квадратных и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристалла полупроводника с электронной электропроводностью, расплавляют маленький кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой. При этом атомы индия проникают (диффундируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной электропроводности (рис. 3, а). Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности, а между ними р — n переход. Контактами электродов диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками. Так устроены наиболее распространенные плоскостные германиевые и кремниевые диоды. Внешний вид некоторых из них показан на (рис. 3, б). Приборы заключены в цельнометаллические или стеклянные корпуса со стеклянными изоляторами, что позволяет использовать их для работы в условиях повышенной влажности. Диоды, рассчитанные на значительные прямые токи, имеют винты с гайками для крепления их на монтажных панелях или шасси радиотехнических устройств. Плоскостные диоды маркируются буквами и цифрами, например: Д226А, Д242. Буква Д в маркировке прибора означает «диод», цифры, следующие за нею, заводской порядковый номер конструкции. Буквы, стоящие в конце обозначения диодов, указывают на разновидности групп приборов.
Плоскостные диоды предназначены в основном для работы в выпрямителях переменного тока блоков питания радиоаппаратуры, поэтому их называют еще выпрямительными Диодами.
Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель
Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.
Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.
Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.
В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.
Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.
Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR 1 и D 2 и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V INпроводимость проходит через SCR 2 и D 1 и возвращается к источнику питания.
Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR 1 или SCR 2 ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D 2 или D 1 ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.
Таким образом, среднее выходное напряжение V AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:
Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя. Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя
Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .
трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом
Рис. 1 Схема трехфазного выпрямителя с нейтральным выводом
На Рисунок 2 представлены временные диаграммы напряжения u2(t) в точках a, b, c, тока через R и диоды VD1, VD2 и VD3.
Ток через резистор по первому закону Кирхгофа равен сумме токов всех трех ветвей с учетом знака (направления). Так как токи в каждой фазе по данной схеме при положительных потенциалах в точках a, b, c относительно узла d направлены к узлу d´, то суммарный ток через резистор всегда имеет одно и то же направление . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Т.е. имеет место выпрямление тока.
Проведем более детальный анализ выпрямления трехфазного тока, рис. 2.
Рис. 2 Временные диаграммы потенциалов в точках a, b, c – ua(t), ub(t), uc(t); токов через диоды iVD1, iVD2, iVD3 и тока через резистор iR.
В момент t = 0 потенциалы в точках a, c одинаковые. Вследствие этого разность потенциалов на выводах диодов VD1 и VD3 равна нулю и поэтому ток через эти диоды в этот момент равен нулю. Потенциал в точке b относительно потенциалов a и c отрицательный, поэтому на выводах диода VD2 напряжение обратное и ток через VD2 не протекает.
При 0> t > t1 на диодах VD2 и VD3 разность потенциалов соответствует обратному напряжению, т.к. ua(t) > uc(t) > ub(t), а на VD1 – прямому. Поэтому через VD1 и R начинает протекать ток, равный .
Максимум тока через резистор будет наблюдаться в момент времени t = t1. При t = t2 потенциалы в точках a и b выравниваются и ток через диоды VD1 и VD2 прекращается из-за разности потенциалов равной нулю. Ток через VD3 равен нулю вследствие того, что потенциал в точке c отрицательный и напряжение на нем, равное разности потенциалов между точкой c и точками a и b, является обратным.
В интервалах от t2 до t3 и от t3 до t4 аналогичная ситуация складывается для iVD2 и iVD3. Ток через резистор во времени состоит из последовательности токов через диоды VD1, VD2 и VD3.
В трехфазном выпрямителе с нейтральным выводом коэффициент пульсаций p = 0.25.
Среднее значение выпрямленного напряжения и тока определяются следующими выражениями:
Максимальное обратное напряжение на диодах равно разности потенциалов между точками (a-c)-b, (a-b)-c и (b-d)-a в моменты времени t0, t1, . Разность потенциалов в эти моменты времени на диодах соответственно VD1, VD2, VD3 и далее равна:
Выпрямитель этого вида позволяет получать выпрямленный ток до сотен ампер, при этом выпрямленное напряжение достигает нескольких десятков киловольт. Основным недостатком является подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, снижающее КПД выпрямителя
