Схема выпрямителя на диодах: устройство, принцип работы и виды

Как работает схема выпрямителя на диодах. Какие бывают виды диодных выпрямителей. Устройство и принцип действия однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей. Преимущества и недостатки разных схем выпрямления.

Принцип работы диодного выпрямителя

Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Основным элементом выпрямителя является диод, который обладает свойством односторонней проводимости:

• В прямом направлении диод хорошо проводит ток
• В обратном направлении диод практически не проводит ток

Это свойство диода позволяет пропускать через себя только одну полуволну переменного напряжения, отсекая вторую. В результате на выходе выпрямителя получается пульсирующее напряжение одной полярности.

Основные виды диодных выпрямителей

Существует несколько основных схем выпрямителей на диодах:

1. Однополупериодный выпрямитель
2. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой
3. Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Рассмотрим принцип работы и особенности каждой из этих схем.

Однополупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель — самая простая схема выпрямления на одном диоде:

• Содержит один диод, включенный последовательно с нагрузкой
• Пропускает через себя только одну полуволну переменного напряжения
• Имеет низкий КПД — около 40%
• Создает большие пульсации выпрямленного напряжения

Как работает однополупериодный выпрямитель:

1. При положительной полуволне входного напряжения диод открыт и пропускает ток
2. При отрицательной полуволне диод закрыт и ток не проходит
3. На выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности

Достоинство этой схемы — простота. Недостатки — низкая эффективность и большие пульсации.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой использует два диода и трансформатор со средней точкой:

• Содержит два диода, подключенных к разным концам вторичной обмотки трансформатора
• Средняя точка вторичной обмотки соединена с нагрузкой
• Пропускает обе полуволны входного напряжения
• КПД около 80%
• Меньшие пульсации по сравнению с однополупериодной схемой

Принцип работы:

1. При положительной полуволне открывается верхний диод
2. При отрицательной полуволне открывается нижний диод
3. На выходе получается двухполупериодное выпрямленное напряжение

Преимущества — более высокий КПД и меньшие пульсации. Недостаток — необходимость использования трансформатора со средней точкой.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Мостовой выпрямитель содержит 4 диода, соединенных по мостовой схеме:

• Не требует трансформатора со средней точкой
• Пропускает обе полуволны входного напряжения
• КПД около 80%
• Низкий уровень пульсаций

Как работает мостовая схема:

1. При положительной полуволне открываются диоды D1 и D4
2. При отрицательной полуволне открываются диоды D2 и D3
3. На выходе получается двухполупериодное выпрямленное напряжение

Достоинства — высокая эффективность и низкие пульсации. Недостаток — падение напряжения на двух диодах.

Сравнение схем выпрямителей

Сравним основные характеристики рассмотренных схем выпрямления:

Параметр	Однополупериодный	Со средней точкой	Мостовой
Количество диодов	1	2	4
КПД	40%	80%	80%
Уровень пульсаций	Высокий	Средний	Низкий
Трансформатор	Обычный	Со средней точкой	Обычный

При выборе схемы выпрямителя следует учитывать требуемую мощность, допустимый уровень пульсаций и другие параметры конкретного устройства.

Применение диодных выпрямителей

Диодные выпрямители широко используются в различных электронных устройствах:

• Блоки питания электронной аппаратуры
• Зарядные устройства для аккумуляторов
• Источники бесперебойного питания
• Сварочные аппараты
• Системы электроснабжения промышленных объектов

Выбор конкретной схемы выпрямителя зависит от требований по мощности, КПД, уровню пульсаций и других параметров.

Заключение

Диодные выпрямители являются простым и надежным способом преобразования переменного тока в постоянный. Основные схемы — однополупериодная, двухполупериодная со средней точкой и мостовая. Каждая имеет свои преимущества и недостатки. При разработке устройств важно правильно выбрать оптимальную схему выпрямления с учетом всех требований.

Схемы выпрямителей

Добавлено 4 марта 2017 в 15:10

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

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

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

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 (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 (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

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

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.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодовДвухполупериодный 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

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

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

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

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 1Ph2W1P (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 1Ph2W2P: 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 1Ph3W2P: 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 3Ph3W6P.

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 (3Ph3W12P)

Подведем итоги

• Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
• Однополупериодный выпрямитель – это схема, которая позволяет только одной половине синусоиды переменного напряжения достичь нагрузки, давая на ней в результате неизменяющуюся полярность. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, значительно «пульсирует».
• Двухполупериодный выпрямитель – это схема, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одной полярности. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, «пульсирует» не так сильно.
• Многофазное переменное напряжении при выпрямлении дает более «гладкую» форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.

Оригинал статьи:

• Rectifier Circuits

Теги

ВыпрямительДиодИсточник питанияОбучениеЭлектроника

Назад

Оглавление

Вперед

Основные типы схем диодных выпрямителей, описание их работы, достоинства и недостатки каждой схемы « ЭлектроХобби

Перед тем, как начать писать про сами схемы диодных выпрямителей для начала, и для новичков, предлагаю разобраться с работой обычного диода. Давайте рассмотрим случай когда диоды имеют прямое и обратное подключение к источнику питания. Ниже на рисунке можно эти два способа подключения.

Допустим у нас имеется источник постоянного тока с напряжением 5 вольт, обычный выпрямительный диод и некоторая нагрузка, которая на рисунке представлена в виде резистора. Диод возьмем типа 1n4007, который может выдерживать ток до 1 ампера и имеет максимальное обратное напряжение до 1000 вольт. Как известно диоды являются полупроводниками. То есть, они способны проводить электрический ток только в одном направлении. На рисунке слева показано прямое подключение диода, с правой стороны мы видим обратное подключение.

При прямом включении диод открыт и достаточно свободно пропускает через себя ток. Но при этом, в любом случае, на диоде будет присутствовать небольшое падение напряжения. Величина этого напряжения у обычных диодов где-то порядка 0,6 вольт. Причем, чем больше сила тока, что проходит через диод, тем это падение напряжения также может увеличиваться (и быть более 1 вольта). Следовательно, если на нашем источнике постоянного тока имеется 5 вольт, то минимум диод оставит на себе 0,6 вольт. И на самой нагрузке уже будет напряжение на 0,6 вольт меньше, а именно вместо 5 вольт будет 4,4 вольта. Это явление обязательно нужно учитывать при расчетах своих блоков питания. При прямом включении в первую очередь имеет значение, какой максимальный ток может пропустить через себя диод, не выходя из строя из-за пробоя (теплового).

При обратном включении диод оказывается полностью закрытым, и ток он в этом случае через себя не пропускает. В этом случае, как видно из рисунка, все напряжение источника питания оседает именно на диоде. И это место подобно разомкнутому ключу. Естественно, нагрузка при этом не работает, поскольку через нее не может пройти электрический ток. Хотя все же токи утечки присутствуют у диодов, но они крайне малы и ими обычно пренебрегают.

Теперь несколько предложений насчет переменного тока и его особенностей. На графике переменный, синусоидальный ток имеет примерно такой вид.

То есть, у нас есть понижающий трансформатор, работающий с сетевым напряжением 220 вольт. Как на его входе, так и на выходе присутствует именно переменная форма тока и напряжения. Только на входе величина напряжения 220 вольт, а на выходе (в случае понижающего трансформатора) будет допустим 12 вольт. Но форма тока одинаковая. А что именно представляет собой этот переменный ток? Дело в том, что переменный тип тока – это постоянный ток, который меняет свою полярность со временем, имея при этом синусоидальную форму. На рисунке графика, что выше, выше нуля по оси времени, это положительная полуволна. Это когда на одном из двух проводов будет только плюс, а на втором только минус. А ниже этой оси будет отрицательная полуволна. На двух проводах плюс и минус поменяются местами. Переменный ток легко преобразуется и при передачи электроэнергии на большие расстояния имеет меньшие потери в линиях электропередач. Непосредственно для питания электроники переменный тип тока не используется.

Ну, а теперь давайте перейдем к первой схеме самого простого варианта диодного выпрямителя. Это однополупериодный диодный выпрямитель на одном диоде. Его схем представлена на рисунке ниже.

Как видно в этой простой схеме диод один и он подключен последовательно с концами выходной обмотки трансформатора. Работа данного типа выпрямителя сводится к тому, что он просто срезает одну полуволну из двух. На рисунке можно увидеть, что на концах вторичной обмотки указан переменный тип тока, а после диода уже постоянный тип тока, но имеющего достаточно большие пульсации. Чтобы сгладить эти пульсации и придать уже выпрямленному току более ровную и прямую форму, более соответствующую постоянному току, после диода ставится электролитический сглаживающий конденсатора.

Чем больше будет емкость сглаживающего конденсатора, тем лучше будет это самое сглаживание пульсирующего напряжения и тока. А принцип действия сглаживания очень прост. Конденсатор во время импульса заряжается, а когда импульса нет, то в это время конденсатор отдает ранее накопленный электрический заряд. В итоге получается за счет ранее накопленной конденсатором энергии сгладить форму электрического тока.

Из-за низкого КПД подобные схемы однотактных диодных выпрямителей используются крайне редко в силовых трансформаторах (с железным сердечником, работающие с частотой 50 Гц). Поскольку половина габаритной мощности самого трансформатора оказывается на востребованной. Но в маломощных импульсных блоках питания, однотактных обратноходовых они применяются часто. Поскольку сам принцип работы таких ИБП полностью соответствует однотактности и недостаток схемы данного типа выпрямителя полностью компенсируется и перестает быть таковым.

Вторая схема – это двухполупериодный мостовой диодный выпрямитель.

Данный тип диодного выпрямителя более востребован и чаще всего используется в схемах трансформаторных блоков питания (и не только). Хотя также имеет свои особенности и недостатки. Этот выпрямитель относится уже к типу двухтактных, поскольку выпрямляются сразу два полупериода переменного тока. Схема мостового диодного выпрямителя содержит в себе 4 одинаковых диода, рассчитанных на нужное обратное напряжение и максимальный прямой ток. Как видно на графике отрицательная полуволна просто переворачивается диодами вверх, тем самым дополняя положительную полуволну. В этом случае величина пульсаций уменьшается вдвое, по сравнению с однополупериодной схемой выпрямителя. Но все равно, чтобы эти пульсации свести к минимуму в схему нужно добавить сглаживающий конденсатора. Хотя емкость его уже может быть в два раза меньше предыдущего случая. В мостовой схеме в процессе выпрямления одно из полупериодов участвуют сразу два диода из четырех. Это показано на рисунке ниже.

То есть, электрическая цепь для одного полупериода будет содержать выходную обмотку трансформатора, к концам которой последовательно подключены два диода. И тут сразу можно заметить имеющийся недостаток этой схемы диодного выпрямителя. А именно, это то, что мы на выпрямителе уже теряем более одного вольта, и чем больше ток будет проходить через этот выпрямитель, тем большими будут потери как мощности, так и величины выходного напряжения. Если мы на вторичной обмотке имеем 5 вольт, а диоды как минимум оставят на себе 1,2 вольта, то в нагрузку дойдет только лишь 3,8 вольт. Думаю смысл понятен. Следовательно, данную разновидность диодных выпрямителей целесообразно использовать при малых токах. Поскольку большие токи будут понижать общий КПД схемы.

И последний тип диодного выпрямителя, это двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. То есть, это когда выходная обмотка силового трансформатора имеет средний вывод. Рисунок данной схемы можно увидеть ниже.

Этот тип диодных выпрямителей также является двухполупериодным, как и мостовая схема, представленная чуть выше. Имеет такую же величину пульсаций на выходе, которые можно сгладить все тем же электролитическим конденсатором. Хотя в это схеме уже используется всего два диода. Следовательно, меньше диодов, меньше потерь и КПД будет выше, но есть и свои недостатки у схемы. А именно, поскольку в один полупериода работает только одна часть вторичной обмотки, а вторая часть обмотки только во второй полупериод, то получается что увеличивается общая масса и габариты самого силового трансформатора. А это уже ведет к большему расходу железа и меди при изготовлении таких выпрямителей с такими трансформаторами. Ну, и больший вес и размеры, что также не всегда удобно. Но вот если эту схему использовать для высокочастотных импульсных трансформаторов, то имеющейся недостаток перестает быть таковым

Как известно, при увеличении рабочей частоты трансформатора значительно уменьшаются его размеры и вес. И в таких трансформаторах уже используются на железные сердечники, а ферритовые, вес которых также меньше. Следовательно, если импульсный блок питания работает допустим на частоте 50 кГц, то размеры трансформатора уже будут в разы меньше, чем в случае с трансформатором, рассчитанного на частоту 50 Гц. Так что двухполупериодные диодные выпрямителя со средней точкой повсеместно используются именно в импульсных блоках питания. Примером может быть обычный компьютерный БП.

Видео по этой теме:

P. S. Так что при разработке своих блоков питания обязательно учитывайте все имеющиеся достоинства и недостатки, присущие в вышеописанным типам диодных выпрямителей. Правильный выбор нужного типа диодного выпрямителя, это залог высокого КПД и минимальных размеров и массы конечного устройства.

Схема полуволнового и двухполупериодного прецизионного выпрямителя с использованием операционного усилителя

Выпрямитель — это схема, которая преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC). Переменный ток всегда меняет свое направление с течением времени, а постоянный ток течет непрерывно в одном направлении. В типичной схеме выпрямителя мы используем диоды для преобразования переменного тока в постоянный. Но этот метод выпрямления можно использовать только в том случае, если входное напряжение схемы больше, чем прямое напряжение диода, которое обычно составляет 0,7 В. Ранее мы объясняли схему двухполупериодного и двухполупериодного выпрямителя на основе диодов.

Чтобы решить эту проблему, была представлена ​​схема прецизионного выпрямителя . Прецизионный выпрямитель — это еще один выпрямитель, который преобразует переменный ток в постоянный, но в прецизионном выпрямителе мы используем операционный усилитель для компенсации падения напряжения на диоде, поэтому мы не теряем падение напряжения 0,6 В или 0,7 В на диоде. диод, также схема может быть сконструирована так, чтобы иметь некоторое усиление на выходе усилителя.

Итак, в этом уроке я покажу вам, как вы можете построить, протестировать, применить и отладить схему прецизионного выпрямителя с использованием операционного усилителя . Наряду с этим, я также буду обсуждать некоторые плюсы и минусы этой схемы. Итак, без лишних слов, приступим.

Что такое схема прецизионного выпрямителя?

Прежде чем мы узнаем о схеме прецизионного выпрямителя, давайте проясним основы схемы выпрямителя.

На приведенном выше рисунке показаны характеристики схемы идеального выпрямителя с его передаточными характеристиками. Это означает, что когда входной сигнал отрицательный, на выходе будет ноль вольт, а когда входной сигнал положительный, выход будет следовать за входным сигналом.

На приведенном выше рисунке показана практическая схема выпрямителя с ее передаточными характеристиками. В практической схеме выпрямителя форма выходного сигнала будет на 0,7 В меньше, чем приложенное входное напряжение, а передаточная характеристика будет выглядеть так, как показано на рисунке. В этот момент диод будет работать только в том случае, если приложенный входной сигнал немного больше, чем прямое напряжение диода.

Покончив с основами, давайте вернемся к схеме прецизионного выпрямителя.

Работа прецизионного выпрямителя

На приведенной выше схеме показана базовая схема полуволнового прецизионного выпрямителя с операционным усилителем LM358 и диодом 1n4148. Чтобы узнать, как работает операционный усилитель, вы можете следовать этой схеме операционного усилителя.

Вышеприведенная схема также показывает форму входного и выходного сигнала схемы прецизионного выпрямителя, которая точно соответствует входному сигналу. Это потому, что мы получаем обратную связь с выхода диода, а операционный усилитель компенсирует любое падение напряжения на диоде. Таким образом, диод ведет себя как идеальный диод.

Теперь на изображении выше вы можете ясно видеть, что происходит, когда положительный и отрицательный полупериоды входного сигнала подаются на входной разъем операционного усилителя. На схеме также показаны передаточные характеристики схемы.

Но в практической схеме вы не получите выход, как показано на рисунке выше, позвольте мне сказать вам, почему?

В моем осциллографе желтый сигнал на входе, а зеленый сигнал на выходе. Вместо полуволнового выпрямления мы получаем своего рода двухполупериодное выпрямление.

На изображении выше показано , когда диод выключен, отрицательный полупериод — сигнал проходит через резистор на выход , и поэтому мы получаем двухполупериодное выпрямление, как на выходе, но это не реальный случай.

Давайте посмотрим, что произойдет, когда мы подключим нагрузку 1K.

Схема выглядит как на изображении выше.

Вывод выглядит как на изображении выше.

Выход выглядит так, потому что мы практически сформировали схему делителя напряжения с двумя резисторами 9,1К и 1К, поэтому входная положительная половина сигнала просто затухла.

Опять же, это изображение выше показывает вам, что происходит, когда я изменяю значение нагрузочного резистора на 220R с 1K.

Это не малейшая проблема этой схемы.

На приведенном выше рисунке показано состояние недостижения , когда выходное напряжение схемы падает ниже нуля вольт и повышается после определенного всплеска.

На приведенном выше рисунке показано состояние недогрузки для обеих вышеупомянутых цепей с нагрузкой и без нагрузки. Это связано с тем, что всякий раз, когда входной сигнал падает ниже нуля, операционный усилитель переходит в область отрицательного насыщения , и результатом является показанное изображение.

Еще одна причина, по которой мы можем сказать, что всякий раз, когда входное напряжение колеблется от положительного к отрицательному, требуется некоторое время, прежде чем обратная связь операционных усилителей вступит в действие и стабилизирует выход, и поэтому мы получаем пики ниже ноль вольт на выходе.

Это происходит потому, что я использую операционный усилитель Jelly Bean LM358 с низкой скоростью нарастания . Вы можете решить эту проблему, просто установив операционный усилитель с более высокой скоростью нарастания . Но имейте в виду, что это произойдет и в более высоких частотах диапазона схемы.

Модифицированная схема прецизионного выпрямителя

На приведенном выше рисунке показана модифицированная схема прецизионного выпрямителя , с помощью которой мы можем уменьшить все вышеупомянутые дефекты и недостатки. Давайте изучим схему и разберемся, как она работает.

Теперь в приведенной выше схеме вы можете видеть, что диод D2 будет проводить, если положительная половина синусоидального сигнала подается в качестве входа. Теперь показанный выше путь (с желтой линией) завершен, и операционный усилитель действует как инвертирующий усилитель, если мы посмотрим на точку P1, напряжение равно 0 В, так как в этой точке формируется виртуальная земля, поэтому ток не может течь через резистор R19, а в точке выхода P2 напряжение отрицательное 0,7 В, так как операционный усилитель компенсирует падение напряжения на диоде, поэтому ток не может пройти в точку P3. Таким образом, мы достигли выхода 0 В всякий раз, когда положительный полупериод сигнала подается на вход операционного усилителя.

Теперь предположим, что мы подали отрицательную половину синусоидального сигнала переменного тока на вход операционного усилителя. Это означает, что приложенный входной сигнал меньше 0 В.

В этот момент диод D2 находится в состоянии обратного смещения, что означает обрыв цепи. Изображение выше точно говорит вам об этом.

Поскольку диод D2 находится в состоянии обратного смещения, ток будет течь через резистор R22, образуя виртуальную землю в точке P1. Теперь, когда подается отрицательная половина входного сигнала, мы получим положительный сигнал на выходе, поскольку это инвертирующий усилитель. И диод будет проводить, и мы получим компенсированный выход в точке P3.

Теперь выходное напряжение будет -Vin/R2 = Vout/R1

Таким образом, выходное напряжение станет Vout = -R2/R1* Vin

Теперь давайте посмотрим на выход схемы на осциллографе.

Практический выход схемы без подключенной нагрузки показан на изображении выше.

Теперь, когда дело доходит до анализа схемы, схема с однополупериодным выпрямителем достаточно хороша, но когда дело доходит до практической схемы, однополупериодный выпрямитель просто не имеет практического смысла.

По этой причине была введена схема двухполупериодного выпрямителя, чтобы получить прецизионный двухполупериодный выпрямитель , мне просто нужно сделать суммирующий усилитель, вот и все.

Прецизионный двухполупериодный выпрямитель с операционным усилителем

Чтобы создать схему двухполупериодного прецизионного выпрямителя , я только что добавил суммирующий усилитель к выходу ранее упомянутой схемы однополупериодного выпрямителя. От точки P1 до точки P2 — основная схема прецизионного выпрямителя и диод настроен так, что на выходе мы получаем отрицательное напряжение.

От точки Р2 до точки Р3 — суммирующий усилитель, выход с прецизионного выпрямителя подается на суммирующий усилитель через резистор R3. Номинал резистора R3 равен половине R5 или, можно сказать, R5/2, так мы устанавливаем коэффициент усиления 2X на операционном усилителе.

Вход с точки Р1 также подается на суммирующий усилитель с помощью резистора R4, резисторы R4 и R5 отвечают за установку коэффициента усиления ОУ в 1Х.

Поскольку выходной сигнал точки P2 подается непосредственно на суммирующий усилитель с коэффициентом усиления 2X, это означает, что выходное напряжение будет в 2 раза больше входного напряжения. Предположим, что входное напряжение составляет 2 В пикового значения, поэтому на выходе мы получим пиковое значение 4 В. При этом мы напрямую подаем вход на суммирующий усилитель с коэффициентом усиления 1Х.

Теперь, когда происходит операция суммирования, мы получаем суммированное напряжение на выходе, которое равно (-4В) + (+2В) = -2В и как ОУ на выходе. Так как ОУ сконфигурирован как инвертирующий, то на выходе мы получим +2В, это точка P3.

То же самое происходит, когда применяется отрицательный пик входного сигнала.

На приведенном выше изображении показан окончательный выход схемы, сигнал , выделенный синим цветом, представляет собой вход , а сигнал , выделенный желтым цветом, представляет собой выход схемы однополупериодного выпрямителя 9.0006, а зеленый сигнал — это выход схемы двухполупериодного выпрямителя.

Необходимые компоненты

• ИС операционного усилителя LM358 — 2
• 6,8K, 1% Резистор — 8
• 1K Резистор — 2
• 1N4148 Диод — 4
• Доска для хлеба — 1
• Провода-перемычки — 10
• Источник питания (±10 В) — 1

Принципиальная схема

Принципиальная схема однополупериодного и двухполупериодного прецизионного выпрямителя с использованием операционного усилителя приведен ниже:

Для этой демонстрации схема построена на макетной плате без пайки с помощью схемы; Чтобы уменьшить паразитную индуктивность и емкость, я соединил компоненты как можно ближе.

Дальнейшее усовершенствование

Схема может быть дополнительно модифицирована для улучшения ее характеристик, например, мы можем добавить дополнительный фильтр для подавления высокочастотных шумов.

Эта схема создана только для демонстрационных целей. Если вы думаете об использовании этой схемы в практическом приложении, вы должны использовать операционный усилитель с прерывателем и высокоточный резистор 0,1 Ом для достижения абсолютной стабильности.

Надеюсь, вам понравилась эта статья и вы узнали из нее что-то новое. Если у вас есть какие-либо сомнения, вы можете задать их в комментариях ниже или использовать наши форумы для подробного обсуждения.

Диодное выпрямление: однополупериодный, двухполупериодный, PIV

В электронике выпрямление — это процесс, в котором выпрямительный диод преобразует переменный входной сигнал переменного тока полного периода в выходной сигнал постоянного тока полупериода.

Один диод обеспечивает однополупериодное выпрямление, а сеть из 4 диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление

В этом посте мы проанализируем процессы выпрямления полупериодных и двухполупериодных диодов, а также другие свойства с помощью изменяющихся во времени функций, таких как синусоидальная волна. и прямоугольная волна. То есть через напряжения и токи, которые меняют свою величину и полярность во времени.

Мы будем считать диод идеальным диодом, игнорируя, является ли он кремниевым диодом или германиевым, чтобы свести к минимуму сложности в расчетах. Будем считать диод стандартным выпрямительным диодом со стандартными выпрямляющими способностями.

Содержание

Однополупериодное выпрямление

Простейшая диаграмма, показывающая изменяющийся во времени сигнал, подаваемый на диод, показана на следующей диаграмме:

Здесь мы можем видеть форму волны переменного тока, где период T означает один полный период форма волны, которая представляет собой среднее значение или алгебраическую сумму частей или горбов выше и ниже центральной оси.

Этот тип схемы, в которой один выпрямительный диод применяется с изменяющимся во времени синусоидальным входным сигналом переменного тока для генерации выходного постоянного тока, имеющего значение, равное половине входного сигнала , называется однополупериодным выпрямителем . Диод в этой схеме называется выпрямителем.

В течение периода между t = 0 → T/2 формы сигнала переменного тока полярность напряжения vi создает «давление» в направлении, показанном на диаграмме ниже. Это позволяет диоду включаться и проводить ток с полярностью, указанной чуть выше символа диода.

Поскольку диод полностью проводит ток, замена диода на короткозамкнутый даст выходной сигнал, как показано на правом изображении выше.

Без сомнения, сгенерированный выходной сигнал является точной копией приложенного входного сигнала над центральной осью сигнала.

В течение периода T/2 → T полярность входного сигнала vi становится отрицательной, что приводит к выключению диода, что приводит к эквиваленту разомкнутой цепи на клеммах диода. Из-за этого заряд не может течь по диодному пути в течение периода T/2 → T, в результате чего vo равно:

vo = iR = 0R = 0 В (по закону Ома). Отклик можно представить на следующей диаграмме:

На этой диаграмме мы можем видеть, что выход постоянного тока Vo от диода создает чистую среднюю положительную область над осью для полного цикла ввода, которую можно определить по формуле:

В пост. тока = 0,318 Вм (полупериод)

Входное и выходное напряжения vo во время процесса диодного однополупериодного выпрямления представлены на следующем рисунке: как процесс, в котором половина входного цикла устраняется диодом на его выходе.

Использование кремниевого диода

Когда кремниевый диод используется в качестве выпрямительного диода, поскольку он имеет характеристику прямого падения напряжения VT = 0,7 В, он создает область прямого смещения, как показано на следующем рисунке:

ТН = 0,7 В означает, что теперь входной сигнал должен быть не менее 0,7 В, чтобы обеспечить успешное включение диода. В случае, если входное напряжение VT меньше 0,7 В, диод просто не сможет включиться, и диод будет продолжать работать в режиме разомкнутой цепи с Vo = 0 В.

В то время как диод проводит в процессе выпрямления, он генерирует выход постоянного тока, который несет фиксированный уровень напряжения для разности напряжений vo — vi, равной обсуждавшемуся выше прямому падению напряжения 0,7 В. Мы можем выразить этот фиксированный уровень следующим образом формула:

vo = vi — VT

Это приводит к уменьшению среднего выходного напряжения над осью, вызывая небольшое чистое уменьшение выпрямленного выхода диода.

Ссылаясь на приведенный выше рисунок, если мы считаем, что Vm (пиковый уровень сигнала) достаточно выше, чем VT, так что Vm >> VT, мы можем достаточно точно оценить среднее значение постоянного тока на выходе диода, используя следующую формулу. .

Vdc ≅ 0,318(Vm — VT)

Точнее, если входной пик переменного тока достаточно выше, чем VT (прямое падение) диода, то мы можем просто использовать предыдущую формулу для оценки выпрямленного постоянного тока на выходе диода :

В пост. тока = 0,318 В·м

Решенный пример для полумостового выпрямителя

Задача:

Оцените выходное значение vo и найдите величину постоянного тока на выходе для схемы, показанной ниже:

Решение: Для вышеуказанного цепи, диод включится для отрицательной части входного сигнала, и vo будет таким, как показано на следующем рисунке.

В течение всего периода входного цикла переменного тока выход постоянного тока будет:

В постоянного тока = 0,318 Вм = — 0,318 (20 В) = — 6,36 В

Знак минус указывает на противоположную полярность выходного постоянного тока. знаку, указанному на схеме под задачей.

Задача №2: Решите указанную выше задачу, считая диод кремниевым.

В случае кремниевого диода форма выходного сигнала будет выглядеть следующим образом:

Выходной постоянный ток можно рассчитать, как описано ниже:

В постоянного тока ≅ — 0,318(Vm — 0,7 В) = — 0,318(19,3 В) ≅ — 6,14 В Волновое выпрямление

Когда синусоидальный сигнал переменного тока используется в качестве входа для выпрямления, выход постоянного тока может быть улучшен до уровня 100 % с помощью процесса двухполупериодного выпрямления.

Самый известный и простой способ добиться этого — использовать схему мостового выпрямителя с 4 диодами, как показано ниже.

Когда положительный входной цикл проходит через период от t = 0 до T/2, полярность входного переменного сигнала через диод и выходного сигнала от диода, как показано ниже:

Здесь мы можем видеть, что из-за специальное расположение диодной сети в мосту, когда D2, D3 проводят, противоположные диоды D1, D4 остаются смещенными в обратном направлении и находятся в выключенном состоянии.

Чистый выходной постоянный ток, полученный в результате этого процесса выпрямления через D2, D3, можно увидеть на приведенной выше диаграмме. Поскольку мы представили диоды идеальными, выходной сигнал vo = vin.

Теперь аналогично отрицательному полупериоду входного сигнала диоды D1, D4 проводят ток, а диоды D2, D3 переходят в состояние OFF, как показано ниже: как положительные, так и отрицательные полупериоды входного переменного тока на два полупериода постоянного тока над центральной осью.

Поскольку эта область над осью теперь в два раза больше, чем область, полученная для однополупериодного выпрямления, выходной постоянный ток также станет в два раза больше по величине, рассчитанной по следующей формуле:

В пост. тока = 2(0,318 Вм)

или

В пост. тока = 0,636 Вм (двухполупериодный)

Как показано на рисунке выше, если вместо идеального диода используется кремниевый диод, применяя закон напряжения Кирхгофа для проводимости

vi — VT — vo — VT = 0, а vo = vi — 2VT,

Следовательно, пик выходного напряжения vo будет:

Vomax = Vm — 2VT

В a ситуации, когда V >> 2VT, мы можем использовать наше предыдущее уравнение, чтобы получить среднее значение с достаточно высокой степенью точности:

Vdc ≅ — 0,636(Vm — 2VT),

Еще раз, если Vm значительно выше, чем 2VT, 2VT можно просто проигнорировать, и уравнение можно решить следующим образом:

Vdc ≅ — 0,636(Vm)

PIV (пиковое обратное напряжение)

Пиковое обратное напряжение или (PIV) номинальное значение, которое также иногда называют максимальным обратным напряжением (PRV) диода, становится решающим параметром при проектировании схем выпрямителя.