Как работают схемы выпрямления переменного тока. Какие бывают типы выпрямителей. В чем особенности однополупериодных и двухполупериодных схем. Где применяются различные виды выпрямителей.
Принцип работы выпрямителей переменного тока
Выпрямитель — это электронное устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Основной принцип работы выпрямителя заключается в пропускании тока только в одном направлении с помощью полупроводниковых диодов. Это позволяет получить пульсирующий постоянный ток из синусоидального переменного.
Простейшая схема выпрямителя содержит следующие основные элементы:
- Трансформатор для понижения сетевого напряжения
- Диодный мост или отдельные диоды для выпрямления
- Сглаживающий фильтр (конденсатор) для уменьшения пульсаций
- Стабилизатор напряжения (опционально)
Основные типы выпрямителей переменного тока
Выпрямители классифицируются по нескольким признакам:
По числу фаз питающей сети:
- Однофазные
- Трехфазные
По схеме выпрямления:
- Однополупериодные
- Двухполупериодные
По типу вентилей:
- Диодные (неуправляемые)
- Тиристорные (управляемые)
По мощности:
- Маломощные (до 0,6 кВт)
- Средней мощности (до 100 кВт)
- Большой мощности (свыше 100 кВт)
Однополупериодные схемы выпрямления
Однополупериодный выпрямитель — простейшая схема, содержащая всего один диод. Принцип работы:
- В положительный полупериод диод открыт и пропускает ток
- В отрицательный полупериод диод закрыт и ток не проходит
- На выходе получается пульсирующий ток одной полярности
Преимущества однополупериодной схемы:
- Простота конструкции
- Минимум компонентов
- Низкая стоимость
Недостатки:
- Большие пульсации выходного напряжения
- Низкий КПД трансформатора
- Требуется мощный сглаживающий фильтр
Однополупериодные выпрямители применяются в маломощной аппаратуре, где не требуется высокое качество выпрямления.
Двухполупериодные схемы выпрямления
Двухполупериодные выпрямители бывают двух видов:
1. Со средней точкой трансформатора
Схема содержит два диода и трансформатор с отводом от середины вторичной обмотки. Принцип работы:
- В первый полупериод ток проходит через один диод
- Во второй полупериод — через другой диод
- На выходе получается двухполупериодное выпрямление
2. Мостовая схема (схема Греца)
Содержит четыре диода, соединенных в мост. Преимущества мостовой схемы:
- Меньшие пульсации выходного напряжения
- Более высокий КПД трансформатора
- Меньшая емкость сглаживающего конденсатора
Двухполупериодные выпрямители обеспечивают лучшее качество выпрямления и применяются в более мощной аппаратуре.
Сравнение однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей
Основные различия между однополупериодными и двухполупериодными схемами:
Параметр | Однополупериодная | Двухполупериодная |
---|---|---|
Коэффициент пульсаций | 1,57 | 0,67 |
КПД трансформатора | 0,5 | 0,81 |
Частота пульсаций | 50 Гц | 100 Гц |
Как видно, двухполупериодные схемы обеспечивают лучшие показатели выпрямления.
Области применения различных типов выпрямителей
Выбор схемы выпрямителя зависит от требований к выходному напряжению и мощности нагрузки:
Однополупериодные выпрямители:
- Маломощные зарядные устройства
- Блоки питания бытовой техники
- Импульсные источники питания
Двухполупериодные выпрямители:
- Источники питания компьютеров и оргтехники
- Зарядные устройства аккумуляторов
- Сварочные аппараты
Трехфазные выпрямители:
- Промышленные источники питания
- Тяговые подстанции электротранспорта
- Мощные электроприводы
Особенности расчета и проектирования выпрямителей
При разработке выпрямителя необходимо учитывать следующие факторы:
- Требуемая выходная мощность и напряжение
- Допустимый уровень пульсаций
- КПД и коэффициент мощности
- Обратное напряжение на диодах
- Параметры сглаживающего фильтра
Расчет выпрямителя включает следующие этапы:
- Выбор схемы выпрямления
- Расчет параметров трансформатора
- Выбор типа и количества диодов
- Расчет сглаживающего фильтра
- Выбор стабилизатора напряжения (при необходимости)
Правильный расчет обеспечивает оптимальные параметры выпрямителя для конкретного применения.
Современные тенденции в разработке выпрямителей
Основные направления совершенствования выпрямителей:
- Применение быстродействующих диодов Шоттки
- Использование активных корректоров коэффициента мощности
- Разработка высокочастотных импульсных выпрямителей
- Внедрение цифровых систем управления
- Миниатюризация и повышение удельной мощности
Эти тенденции позволяют создавать более эффективные и компактные выпрямители для различных применений.
Схемы выпрямления переменного тока
Специальный электронный прибор, преобразующий электрический ток, из переменного в постоянный, называют выпрямителем электрического тока. В электронной аппаратуре, работающей на полупроводниках, схемы выпрямления используют в своей основе полупроводниковые диоды. Прежде чем подробно останавливаться на выпрямлении, следует вспомнить об электрическом переменном токе.
Содержание
Суть переменного тока
В самом простом варианте, переменный ток представляет собой направленное движение заряженных частиц, постоянно меняющее свою полярность и амплитуду по графику в виде правильной синусоиды. При этом, все полупериоды синусоиды условно разделяются на положительные и отрицательные. Полупериод, расположенный выше нулевой отметки, считается положительным, и обозначается красным цветом. Все полупериоды, находящиеся ниже нуля, относятся к отрицательным и обозначаются синим цветом. Полный период называется волной, а половина периода, в зависимости от расположения, носит название положительной или отрицательной полуволны.
Основной принцип действия выпрямителя заключается в переворачивании или отсекании какой-либо полуволны, при этом, направление тока становится односторонним. Все выпрямители условно разделены на приборы с одной и тремя фазами, одним или двумя полупериодами.
Выпрямление переменного тока
Как правило, для выпрямления используется переменный ток, поступающий с вторичной трансформаторной обмотки. Это совершенно точно, поскольку во все квартиры электрический ток идет через понижающий трансформатор подстанции. В любой схеме выпрямления основной величиной является напряжение. Это связано с тем, что напряжение, в отличие от силы тока, совершенно не зависит от нагрузки.
Самым простым считается однофазный выпрямитель с одним полупериодом
Согласно данной схеме, с помощью диода отсекается отрицательная полуволна. При переворачивании диода, происходит перемена местами выводов – анода и катода. В этом случае происходит отсечение положительной полуволны. Такие выпрямители применяют схемы выпрямления, при потреблении слабых токов и импульсном питании. Они совершенно непригодны для выпрямления сетевого напряжения с большим значением.
Самым распространенным, является однофазный выпрямитель на два полупериода
Здесь электрический ток с вторичной обмотки поступает по маршруту «А – В» и в обратном направлении, через определенные диоды и нагрузку. Направление постоянно изменяется в таком быстром темпе, что на выходе выпрямителя его нулевое значение, практически, отсутствует.
Для нормального преобразования напряжения, кроме выпрямителей, используются сглаживающие фильтры питания, которые окончательно устраняют резкие колебания выходного напряжения.
Выпрямитель тока: переменный ток в постоянный, схема выпрямителя тока
В таких устройствах для выпрямления тока используется более 3 фаз. Остальные конструктивные особенности отличаются. Многофазный выпрямитель может состоять из полного моста, четверти моста и половины моста. В зависимости от количества входов и параллельности они делятся на отдельные, соединенные звездой или соединенные кольцом. Существуют также серийные типы.
Содержание
Выпрямитель
Выпрямители тока – это различные типы преобразователей сигналов. В зависимости от природы устройства они могут быть полупроводниковыми на основе диодов или транзисторов, механическими или вакуумными. Назначение устройства – преобразование переменного сигнала, подаваемого на вход, в постоянный сигнал на выходе. Большинство таких устройств могут производить пульсирующий электрический ток, оставляя пульсации на выходе. Поэтому необходимо дополнительно оснастить схему фильтрами для сглаживания колебаний. Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называется инвертором и используется в источниках бесперебойного питания и батареях.
Схема диодного моста
Конструкция и дизайн выпрямителя
Для сглаживания получаемых импульсов выпрямленного напряжения после выхода выпрямителя подключается сглаживающий фильтр, состоящий из конденсаторов, дросселей и резисторов. К выходу сглаживающего фильтра подключена схема стабилизатора, которая выравнивает и регулирует результирующий ток и напряжение. Такие устройства часто также подключаются к входу переменного тока устройства.
Режимы работы и характеристики отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра адаптированы к конкретным условиям эксплуатации потребительской нагрузки. Поэтому основной задачей при проектировании выпрямительного оборудования является расчет коэффициентов для определения электрических свойств и параметров элементов стабилизатора и других деталей из условий работы потребителя. Затем эти компоненты должны быть рассчитаны и выбраны из каталога в торговой сети.
Обе полуволны переменного напряжения можно использовать двумя способами:
Полупроводниковые схемы
Каждый выпрямитель представляет собой схему. Он состоит из вторичной обмотки трансформатора, выпрямительного элемента, электрического фильтра и нагрузки. Возможно умножение напряжения. Выпрямленное напряжение представляет собой сумму постоянного и переменного напряжений. Компонент переменного тока – это нежелательный компонент, который уменьшается тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе и быть не может.
Его можно уменьшить двумя способами:
- повышение эффективности электрического фильтра;
- улучшение параметров выпрямленного переменного напряжения.
Простейшим выпрямителем является однополупериодный выпрямитель. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсации в этой схеме самый высокий. Но если мы выпрямим трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе и тем же фильтром, мы получим в три раза меньшие пульсации. Однако наилучшие характеристики достигаются при использовании двойных полуволновых выпрямителей.
Обе полуволны переменного напряжения могут быть использованы двумя способами:
- мостовая схема;
- Обмотка центральной точки (схема Миткевича).
Давайте сравним эти две схемы для одного и того же выпрямленного напряжения. В мостовой схеме используется меньше вторичных обмоток трансформатора, что является преимуществом. Но в однофазном мостовом выпрямителе требуется четыре диода. Схема со средней точкой требует вдвое больше вторичных обмоток в средней точке, что является недостатком. Другим недостатком такого расположения является то, что часть обмотки должна быть симметричной относительно центральной точки.
Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Однако в этой схеме требуется только два диода, что является преимуществом. Во время выпрямления на диоде появляется напряжение. Его значение почти не меняется в зависимости от тока, протекающего через диод. Поэтому мощность, рассеиваемая полупроводниковым диодом, увеличивается по мере увеличения выпрямленного тока.
При выпрямлении больших токов два диода в средней цепи будут более экономичными и компактными по сравнению с четырьмя диодами в мостовом выпрямителе. Схемы выпрямителей не появились из ниоткуда. Они были изобретены инженерами. Поэтому в литературе схемы выпрямителей иногда называют по именам их первооткрывателей. Мостовая схема называется “полный мост Гретца”. Схема со средней точкой называется “выпрямителем Миткевича”.
Силовой трансформатор
Это устройство используется для согласования входного и выходного напряжения выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор используется для отделения цепи нагрузки от цепи питания. Существуют различные способы соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройства. Выходное напряжение трансформатора U2 зависит от выходного напряжения мостового выпрямителя Uн.
Трансформатор способен гальванически развязать частоту f1 с сетью U1, I1и цепь нагрузки с Uн, Iн в одно и то же время. В настоящее время возможно проектирование и производство высоковольтных инверторов, которые работают на более высокой частоте и выпрямляют напряжение. Для этого используются бестрансформаторные выпрямительные системы, в которых вентильный блок подключается непосредственно к первичной питающей сети.
Диодный мост
Это основная функция выпрямительного устройства – преобразование переменного тока в постоянный. Наиболее распространенными элементами, используемыми в устройстве, являются диоды. На выходе диодного моста генерируется постоянное напряжение с более высоким уровнем импульсов, который зависит от количества фаз в электросети и выпрямительной схемы.
Фильтрующее устройство
Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в зависимости от требований нагрузки. В схеме устройства фильтрации используется сглаживающий дроссель или резистор, подключенный последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно к выходу питания.
Чаще, однако, фильтры строятся по несколько более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности нет необходимости в дросселе и резисторе. В схемах выпрямителей для трехфазных сетей импульсы меньше, что упрощает условия работы фильтра.
Коэффициент мощности трансформатора оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр рассчитывается по формуле:
Для сглаживания получаемых импульсов выпрямленного напряжения после выхода выпрямителя подключается сглаживающий фильтр, состоящий из конденсаторов, дросселей и резисторов. К выходу сглаживающего фильтра подключена схема стабилизатора для выравнивания и регулирования результирующего тока и напряжения. Такие устройства часто также подключаются к входу переменного тока устройства.
Режимы работы и характеристики отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра адаптированы к конкретным условиям эксплуатации потребительской нагрузки. Поэтому основной задачей при проектировании выпрямительных устройств является расчет коэффициентов для определения электрических свойств и параметров компонентов стабилизатора и других деталей из условий работы потребителя. Затем необходимо рассчитать эти компоненты и выбрать их из каталога в торговой сети.
Рис. 1
Выпрямители в общем виде можно представить структурной схемой (рис. 2), состоящей из:
1 – Силовой трансформатор.
2 – Диодный мост, состоящий из диодов.
3 – Фильтрующее устройство.
4 – Схема нагрузки со стабилизатором.
Рис. 2
Силовой трансформатор
Назначение этого устройства – согласование входного и выходного напряжений выпрямителя (рис. 1 – а). Другими словами, трансформатор отделяет цепь нагрузки от цепи питания. Обмотки этого трансформатора могут быть соединены по-разному, в зависимости от типа схемы выпрямителя устройства. Для выходного напряжения трансформатора U2 зависит от выходного напряжения мостового выпрямителя Uн.
Трансформатор способен гальванически развязать частоту f1 с сетью U1, I1и цепь нагрузки с Uн, Iнв одно и то же время. В настоящее время возможно проектирование и производство высоковольтных инверторов, которые работают на более высокой частоте и выпрямляют напряжение. Для этого используются бестрансформаторные выпрямительные системы, в которых вентильный блок подключается непосредственно к первичному питанию.
Диодный мостЭто основная функция выпрямителя, преобразование переменного тока в постоянный (рис. 1 – б). Чаще всего в блоке используются элементы в виде диодов.
На выходе выпрямительного блока образуется постоянное напряжение, которое имеет высокий импульсный уровень, зависящий от количества фаз сети и схемы выпрямителя.
Фильтрующее устройствоФильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в зависимости от требований нагрузки (рис. 1-c). В схеме фильтра используется последовательно соединенный сглаживающий дроссель или резистор и конденсаторы, подключенные параллельно к выходу питания.
Однако большинство фильтров выполнены по несколько более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности нет необходимости использовать дроссель и резистор. В схемах выпрямителей для трехфазных сетей размер импульсов меньше, что упрощает условия работы фильтра.
Стабилизатор напряженияРегулятор напряжения предназначен для уменьшения внешнего воздействия на выходное напряжение. На него могут влиять колебания частоты тока, температура, колебания напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводниковых приборов, устройство и работа которых будут рассмотрены отдельно.
КлассификацияВыпрямители на основе полупроводниковых элементов классифицируются различными способами.
С точки зрения выходной мощности:
- Большая мощность – более 100 киловатт.
- Средняя мощность – менее 100 киловатт.
- Низкая мощность – менее 0,6 киловатт.
Фаза сети:
- Однофазный.
- Трехфазный.
Количество импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U
2 за один период:- Однополюсные (имеют один полупериод).
- Биполярные (имеют два полупериода).
Выпрямители в зависимости от типа управления клапаном делятся на:
- Контролируется. Это транзисторы или тиристоры, которые используются в схеме.
- Выпрямители делятся на следующие диапазоны: управляемые – транзисторы, тиристоры. В этих схемах используются диоды.
Выпрямители делятся на следующие типы нагрузок:
- Активный конденсатор.
- Активно-индуктивный.
- Активный.
Тип нагрузки и форма потребляемого тока влияют на расчет выпрямителя и существенно различаются. Расчет выпрямителя производится путем выбора схемы выпрямителя, типа вентилей, определения нагрузки трансформатора, фильтра и диодов, мощности и электрических параметров.
На выбор схемы устройства влияет ряд факторов. Эти факторы должны учитываться в зависимости от требований зарядного устройства.
К таким факторам относятся:
- Мощность и напряжение.
- Пульсация и частота выходного напряжения.
- Значение обратного напряжения на диодах и количество диодов.
- Коэффициент мощности и другие параметры.
- ЭФФЕКТИВНОСТЬ.
Коэффициент мощности трансформатора оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр рассчитывается по формуле:
Где Id, Ud, – средние значения выпрямленного тока и напряжения, I1, U1 – рабочие ток и напряжение первичной обмотки, I2, U2 – рабочее значение вторичного тока и напряжения.
По мере увеличения коэффициента использования трансформатора размер блока обычно уменьшается, а эффективность увеличивается.
Системы ректификацииОднофазные выпрямителиОднофазные выпрямительные цепи чаще всего используются в бытовых электроприборах. В них используются однофазные трансформаторы, работающие с фазой и нулем. Обе обмотки трансформатора в таких устройствах однофазные.
Однофазная однофазная цепьОднофазная однополупериодная схема чаще всего используется для выравнивания тока малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости в идеальном выравнивании напряжения на выходе выпрямителя. Он характеризуется высокой пульсацией выходного напряжения и низким коэффициентом использования трансформатора.
На схеме показана работа одноциклового выпрямителя для активной нагрузки.
Ток нагрузки id под воздействием ЭДС вторичной стороны (e2) может проходить только через те полупериоды, в которых анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. В первом полуцикле диод проводит ток ivd, а во втором полуцикле ток становится равным нулю (при отрицательном потенциале анода).
Напряжение на выходе выпрямителя ud всегда ниже, чем ЭДС для e2Из-за того, что теряется определенное количество напряжения. Наибольшее сопротивление обратного хода клапана Uobmax достигает амплитуды ЭДС вторичной обмотки.
Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора похожи, если пренебречь намагничивающим током и удалить Idпоскольку он не преобразуется в первичной обмотке. Благодаря этому значению в сердечнике трансформатора возникает вспомогательный магнитный поток, который вызывает насыщение сердечника.
Этот эффект называется принудительным смещением. Это можно считать главным недостатком системы. После насыщения ток намагничивания трансформатора увеличивается по сравнению с нормальной работой. Увеличение этого тока создает условия для увеличения поперечного сечения первичного проводника. Это приводит к увеличению размеров трансформатора.
Вход переменного тока используется для получения постоянного электрического тока на выходе таких устройств. Этот процесс называется ректификацией.
- В источниках питания для радио- и электрооборудования, как промышленного, так и бытового;
- В источниках питания для бортовых электронных систем автомобилей;
- в источниках питания для автомобильного, железнодорожного, морского, авиационного и т.д. оборудования
- в сварочных аппаратах;
- Подстанции для энергосистем и т.д.
Если выпрямитель предназначен только для преобразования тока, то он опирается на неуправляемые затворы, т.е. диоды.
Если выпрямитель должен регулировать уровень напряжения, то используются управляемые вентили – тиристоры.
Однако большинство электроники, не только бытовой, но и промышленной, питается постоянным напряжением, что привело к созданию целой отрасли электротехники – преобразованию (выпрямлению) переменного тока. После ухода в небытие электронной лампы основным компонентом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.
Типы выпрямителей переменного тока
В начале 20-го века между специалистами в области электротехники возник очень принципиальный спор. Какой ток более рентабелен для передачи потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по высоковольтным линейным проводам от трансформаторной подстанции к потребителю. Эта система была принята во всем мире и используется до сих пор.
Однако большинство электроники, не только бытовой, питается постоянным током, что привело к появлению целой отрасли электротехники – преобразованию (выпрямлению) переменного тока. После того, как электронная лампа ушла в прошлое, основным компонентом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.
Схемы выпрямителей очень широки, но самыми простыми являются Однополупериодный выпрямитель.
Однополупериодный выпрямитель.
Напряжение со вторичной обмотки силового трансформатора подается на один диод. Вот принципиальная схема.
Поэтому его называют выпрямителем с одним напряжением. Она только исправляет один полупериод а на выходе – импульсное напряжение. Его форма показана на рисунке.
Схема проста и не требует большого количества компонентов. Это влияет на качество выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, сетевое напряжение 50 Гц) выпрямленное напряжение является сильно импульсным. Это очень плохо.
Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного напряжения, приходится использовать очень большой конденсатор C1, около 2000-5000 микрофарад, что увеличивает размеры источника питания, так как электролиты на 2000-5000 мкФ довольно большие. Поэтому эта схема редко используется на низких частотах. Вместо этого однополупериодные выпрямители отлично зарекомендовали себя в импульсных источниках питания, работающих на частотах порядка 10 – 15 кГц (килогерц). На этих частотах емкость фильтра может быть очень мала, и простота схемы меньше влияет на качество выпрямленного напряжения.
Примером однополупериодного выпрямителя может служить простое зарядное устройство для мобильного телефона. Поскольку само зарядное устройство является маломощным, в нем используется однополупериодная схема, как во входном выпрямителе сети 220 В (50 Гц), так и в выходном выпрямителе, который требует выпрямления переменного напряжения высокой частоты от вторичной обмотки импульсного трансформатора.
Несомненным преимуществом этого выпрямителя является минимум деталей, низкая стоимость и простые схемные решения. В обычных (неимпульсных) источниках питания двойные полупериодные выпрямители успешно используются на протяжении многих десятилетий.
Двойные полупериодные выпрямители.
Они бывают двух видов: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного силового трансформатора, хотя в нем используется вдвое меньше диодов, чем в мостовой схеме. Недостатком полуточечного выпрямителя является то, что для получения того же напряжения количество витков на вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем в мостовой схеме. Это не совсем экономичное использование медной проволоки.
На диаграмме ниже показан типичный полупериодного выпрямителя.
Пульсация выпрямленного напряжения меньше, чем у полуволнового выпрямителя, и значение конденсатора фильтра также может быть значительно меньше. Как работает схема с двойным полупериодом, можно увидеть на рисунке.
Как видим, на выходе выпрямителя мы уже имеем вдвое меньшие “просадки” напряжения, то есть как раз эти пульсации.
Схема выпрямителя со средней точкой активно используется в выходных выпрямителях импульсных источников питания для ПК. Поскольку для вторичной обмотки ВЧ-трансформатора требуется меньше витков медного провода, использование этой схемы намного эффективнее. Используются двойные диоды, т.е. диоды с общим корпусом и тремя выводами (два диода внутри). Один из выходов является общим (обычно катод). Двоичный диод внешне очень похож на транзистор.
Наиболее популярными в потребительском и промышленном применении являются мостовая схема. Взгляните на это.
Не будет преувеличением сказать, что это самая распространенная схема. Вы не раз столкнетесь с этой схемой на практике. Он содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе обычно имеется RC-фильтр или просто электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.
Эта схема уже была описана на странице “Диодный мост”. Стоит отметить, что мостовая схема также имеет недостатки. Как известно, каждый полупроводниковый диод имеет так называемое прямое падение напряжения (Прямое падение напряжения – VF). Для обычных выпрямительных диодов этот показатель может составлять 1 – 1,2 В (в зависимости от типа диода). Теперь, используя мостовую схему, напряжение, равное 2 x VFт.е. приблизительно 2 В. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем 2 других). Получается, что диодный мост теряет часть напряжения, которое мы берем со вторичной обмотки трансформатора, что является очевидной потерей. Поэтому в некоторых случаях Диоды Шоттки, которые имеют небольшое прямое падение напряжения (около 0,5 В), используются как часть диодного моста. Однако диод Шоттки не рассчитан на высокое обратное напряжение и очень чувствителен к превышению этого напряжения.
Большой интерес представляют Выпрямитель с удвоением напряжения.
Выпрямитель с удвоением напряжения.
Принцип работы удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на попеременной зарядке-разрядке конденсаторов C1 и C2 полуволнами входного напряжения разной полярности. В результате напряжение между катодом одного диода и анодом другого диода в два раза превышает входное напряжение. Схема:)
Стоит отметить, что эта схема не часто используется в источниках питания. Но его можно использовать, если мы хотим удвоить напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора. Это было бы более логично и правильно, чем перемотка вторичной обмотки трансформатора для удвоения выходного напряжения на вторичной обмотке (потому что вторичная обмотка должна быть намотана в два раза большим количеством витков). Поэтому, если вы не можете найти подходящий трансформатор, вы можете смело использовать эту схему.
Расширением этой схемы стало создание твердотельного диодного умножителя.
Умножитель напряжения.
Каждый диод и конденсатор образуют “ячейку”, и эти ячейки могут быть соединены последовательно для получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение должно быть достаточно большим.
На рисунке показано четырехкратный множитель а на выходе мы имеем напряжение, в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители стали очень популярны в тех случаях, когда требуется высокое напряжение при относительно низком токе. Например, в старых телевизорах и осциллографах эта схема использовалась для подачи высокого напряжения на анод ЭЛТ.
Сегодня такие источники питания используются в научных лабораториях, детекторах элементарных частиц, медицинском оборудовании (люстра Чижевского) и оружии самообороны (электрошокер). При воспроизведении таких конструкций и выборе деталей важно рабочее напряжениеВесь умножитель обычно заключен в специальный компаунд или эпоксидную смолу, чтобы избежать пробоя высокого напряжения между элементами схемы. Весь умножитель обычно заполняется специальным компаундом или эпоксидной смолой, чтобы избежать пробоя высокого напряжения между компонентами схемы.
Некоторые приборы, например, люстры Чижевского, требуют довольно высокого напряжения для нормальной работы. По мнению экспертов, излучатель отрицательных ионов эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.
Трехфазные выпрямители.
Устройства, которые используются для получения постоянного тока из трехфазного переменного тока, называются трехфазными выпрямителями. Трехфазные выпрямители, очевидно, не используются в бытовых приборах. Единственное устройство, которое можно использовать в бытовой технике, – это сварочный аппарат. Трехфазные выпрямители основаны на работах двух известных инженеров-электриков Миткевича и Ларионова. Простейшая схема Миткевича называется “параллельный мост 3/4”, который представляет собой три силовых диода, соединенных параллельно через вторичные обмотки трехфазного трансформатора. Схема.
Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра с малой емкостью и небольшими размерами.
Более сложной является схема Ларионова, которую называют “три полумоста в параллель”, что хорошо видно на рисунке.
В этой схеме используется шесть диодов и немного другая схема. Существует довольно много схем трехфазных выпрямителей, и самой совершенной, хотя и редко используемой, является схема “шесть мостов в параллель”, а это уже 24 диода! Однако эта схема может производить высокое напряжение при высокой мощности.
Трехфазные выпрямители используются в электровозах, в городском электротранспорте (трамваи, троллейбусы, метро) и в промышленных электролизных установках. В промышленных системах очистки газа, буровом и сварочном оборудовании также используются трехфазные выпрямители.
Теперь вы знаете, что такое выпрямители переменного тока, и сможете легко найти их на схеме или печатной плате любого устройства. А тем, кто хочет узнать больше, мы рекомендуем прочитать книгу “Твердотельные выпрямители”.
Читайте далее:
- Расчет понижающего конденсатора.
- Основные параметры выпрямительных диодов; Школа для инженеров-электриков: Электротехника и электроника.
- Полупроводниковые диоды.
- Выпрямительные диоды; Школа для электриков: Электротехника и электроника.
- Обратный ток. Что такое возвратный ток?.
- Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
- Стабилизатор – это стабилизатор. Что такое стабилизатор?.
» Примечания по электронике
Основы схем выпрямителей переменного тока, используемых в цепях питания электроники, с подробной информацией о диодных выпрямителях, включая схемы однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей, включая мостовой выпрямитель.
Схемы блока питания. Учебное пособие. Включает:
Обзор электроники блока питания.
Линейный источник питания
Импульсный источник питания
Сглаживание конденсатора
Схемы выпрямителя переменного тока
Схемы регулятора напряжения
Схема стабилизатора напряжения стабилитрона
Защита от перенапряжения
Характеристики блока питания
Цифровая мощность
Шина управления питанием: PMbus
Бесперебойный источник питания
Первым элементом блока питания электроники, которому будет соответствовать любая входящая мощность, являются цепи трансформатора и выпрямителя переменного тока. Этот элемент любого источника питания электроники преобразует поступающую мощность в форму, приемлемую для цепей сглаживания и регулирования.
При работе от источника переменного тока трансформатор используется для преобразования входного сетевого напряжения в правильное значение, необходимое для схемы электроники источника питания. Результирующая форма волны напряжения представляет собой переменный ток. Это должно быть исправлено, чтобы мощность могла быть сглажена и отрегулирована для использования электронными схемами. Для этого используется схема выпрямителя переменного тока. Хотя на первый взгляд схема выпрямителя может показаться очень простой, существует несколько различных форм схемы выпрямителя переменного тока, которые можно использовать. Выбор фактической схемы выпрямителя переменного тока будет зависеть от ряда факторов, а также может повлиять на тип используемого трансформатора.
Схемы однополупериодных и двухполупериодных выпрямителей
В схемах выпрямителя переменного токамогут использоваться диоды в различных конфигурациях цепей. Используя диоды по-разному, можно достичь разных уровней производительности. Существует два основных типа цепей выпрямителя переменного тока:
- Цепи однополупериодного выпрямителя
- Цепи двухполупериодного выпрямителя
Из двух форм схемы выпрямителя переменного тока чаще используется схема двухполупериодного выпрямителя, особенно в приложениях, где требуется производительность. Полупериодный выпрямитель обычно используется в приложениях, где требуется мощность для небольшой вспомогательной цепи и где потребляется меньший ток.
Цепи однополупериодного выпрямителя
Как следует из названия, в схемах однополупериодного выпрямителя переменного тока в процессе выпрямления используется только половина формы волны переменного тока. Другими словами, они пропускают одну половину цикла и блокируют другую половину. Это означает, что питание подается на выход схемы выпрямителя — часто сглаживающая схема только в течение половины цикла, и это оставляет половину цикла, когда питание не подается. Соответственно, напряжение на любом сглаживающем конденсаторе падает в течение этого периода по мере того, как цепь нагрузки снимает заряд со сглаживающего конденсатора. Соответственно уровни пульсаций выше, чем при двухполупериодном выпрямлении, как будет показано ниже.
Схемы однополупериодных выпрямителей относительно просты. Процесс выпрямления можно осуществить с помощью одного диода. Именно простота схемы делает схему однополупериодного выпрямителя привлекательной для многих приложений. В нем используется минимум компонентов, и он способен обеспечить достаточное напряжение для многих применений.
При выборе диодов для использования в цепях выпрямителей переменного тока важным параметром является номинальное обратное напряжение. Это называется пиковым обратным напряжением, PIV. Для однополупериодного выпрямителя PIV для диода должно быть как минимум в два раза больше пикового напряжения формы волны переменного тока. Причина этого в том, что следует исходить из того, что сглаживающий конденсатор будет удерживать пиковое напряжение формы волны переменного тока. Затем, когда диод находится в непроводящей части сигнала, сигнал переменного тока достигает своего пика, диодный выпрямитель увидит этот пик поверх пикового напряжения, удерживаемого конденсатором, то есть вдвое превышающего пиковое значение сигнала. Стоит отметить, что пиковое значение синусоиды в 1,414 раза превышает среднеквадратичное значение. Таким образом, номинал PIV для диода должен быть в 2 раза больше среднеквадратичного значения сигнала переменного тока в 1,414 раза. Вдобавок к этому стоит оставить достаточный запас для компенсации любых всплесков, которые могут появиться на линии предложения.
Цепи двухполупериодного выпрямителя
Схемы двухполупериодных выпрямителеймогут использовать обе половины входящей формы волны, и, таким образом, они более эффективны, чем однополупериодные разновидности. Однако для достижения этого в этих схемах выпрямителя требуется использование большего количества диодов.
Цепь двухполупериодного выпрямителя переменного тока обеспечивает два различных пути, по одному для каждой половины цикла. Таким образом, один диод из набора диодов проводит одну половину цикла, тогда как другой диод из набора диодов проводит другую половину цикла.
Мостовые выпрямители
Схема мостового выпрямителя используется во многих схемах двухполупериодного выпрямителя. Состоит из четырех диодов и представляет собой эффективную форму выпрямления. Ввиду этого многие производители изготавливают блоки мостовых выпрямителей, содержащие четыре диода. Часто, когда эти мостовые выпрямители пропускают значительные уровни тока, они рассеивают некоторую мощность и нагреваются. Чтобы предотвратить их перегрев, эти мостовые выпрямители часто изготавливаются в формате, позволяющем прикрепить их болтами к радиатору той или иной формы.
Резюме
Цепи выпрямителя переменного токашироко используются во всех видах электронного оборудования. Везде, где используется источник питания переменного тока, будет включена схема выпрямителя, потому что схемы электроники используют постоянный ток для питания для своей работы. Хотя источники питания могут не являться непосредственной частью работы оборудования, они необходимы, поскольку без какой-либо формы источника питания вся схема не будет работать. Поскольку в сетях питания используется переменный ток из-за характеристик передачи, а также необходимо использовать переменный ток, чтобы можно было использовать трансформаторы, всегда можно найти цепи выпрямителя переменного тока. В этих схемах мостовые выпрямители также очень распространены, потому что они представляют собой дешевую и эффективную форму компонента для использования в этих схемах.
Дополнительные схемы и схемы:
Основы операционных усилителей
Схемы операционных усилителей
Цепи питания
Транзисторная конструкция
Транзистор Дарлингтона
Транзисторные схемы
схемы полевых транзисторов
Символы цепи
Вернитесь в меню проектирования схем . . .
Как блоки питания превращают переменный ток в постоянный в электронных схемах
Задача преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением, , а электронная схема, выполняющая эту работу, называется выпрямителем . Наиболее распространенным способом преобразования переменного тока в постоянный является использование одного или нескольких диодов , тех удобных электронных компонентов, которые позволяют току проходить в одном направлении, но не в другом.
Хотя выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный, результирующий постоянный ток не является постоянным напряжением. Правильнее было бы назвать его «пульсирующим постоянным током». Хотя пульсирующий постоянный ток всегда движется в одном и том же направлении, уровень напряжения имеет отчетливую пульсацию, немного повышаясь и понижаясь синхронно с формой волны переменного напряжения, подаваемого на выпрямитель.
Для многих цепей постоянного тока значительная пульсация в источнике питания может привести к неисправности цепи. Следовательно, требуется дополнительная фильтрация, чтобы «сгладить» пульсирующий постоянный ток, поступающий от выпрямителя, для устранения пульсаций.
Существует три различных типа схем выпрямителей, которые вы можете построить: однополупериодные, двухполупериодные и мостовые. Далее описывается каждый из этих трех типов выпрямителей.
Однополупериодный выпрямитель
Самый простой тип выпрямителя состоит из одного диода. Этот тип выпрямителя называется 9.0055 однополупериодный выпрямитель , потому что он передает только половину входного переменного напряжения на выход.
Когда переменное напряжение положительное на катодной стороне диода, диод пропускает ток на выход. Но когда переменный ток меняет направление и становится отрицательным на катодной стороне диода, диод блокирует ток, так что на выходе не появляется напряжение.
Однополупериодные выпрямители достаточно просты в изготовлении, но не очень эффективны. Это связано с тем, что весь отрицательный цикл входного переменного тока блокируется однополупериодным выпрямителем. В результате выходное напряжение равно нулю в половине случаев. Это приводит к тому, что среднее напряжение на выходе составляет половину входного напряжения.
Обратите внимание на резистор с маркировкой R L . Этот резистор на самом деле не является частью схемы выпрямителя. Вместо этого он представляет собой сопротивление нагрузки, которая в конечном итоге будет помещена в цепь, когда источник питания будет использоваться.
Двухполупериодный выпрямитель
Двухполупериодный выпрямитель использует два диода, что позволяет ему пропускать как положительную, так и отрицательную сторону входного переменного тока. Диоды подключены к трансформатору.
Обратите внимание, что двухполупериодный выпрямитель требует использования трансформатора с отводом от средней точки. Диоды подключены к двум внешним отводам, а центральный отвод используется в качестве общей земли для выпрямленного постоянного напряжения. Двухполупериодный выпрямитель преобразует обе половины синусоидальной волны переменного тока в постоянный ток с положительным напряжением.
Результатом является постоянное напряжение, частота импульсов которого в два раза превышает частоту входного переменного напряжения. Другими словами, если предположить, что на вход подается бытовой ток с частотой 60 Гц, на выходе будет пульсирующий постоянный ток с частотой 120 Гц.
Мостовой выпрямитель
Проблема с двухполупериодным выпрямителем заключается в том, что для него требуется трансформатор с отводом от средней точки, поэтому он вырабатывает постоянный ток, равный лишь половине общего выходного напряжения трансформатора.
Мостовой выпрямитель преодолевает это ограничение за счет использования четырех диодов вместо двух. Диоды расположены в виде ромба, так что на каждой половине фазы синусоиды переменного тока два диода пропускают ток к положительной и отрицательной сторонам выхода, а два других диода блокируют ток. Мостовой выпрямитель не требует трансформатора с отводом от середины.
Выход мостового выпрямителя имеет импульсный постоянный ток, как и выход двухполупериодного выпрямителя. Однако используется полное напряжение вторичной обмотки трансформатора.
Вы можете построить мостовой выпрямитель, используя четыре диода, или вы можете использовать мостовой выпрямитель IC, который содержит четыре диода в правильном расположении.