принцип работы, схемы и т.д.

Двухполупериодный выпрямитель — устройство или контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Двухполупериодный выпрямитель состоит из трансформатора с центральным отводом вторичной обмотки, двух диодов и сопротивления нагрузки.

Схема двухполупериодного выпрямителя

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия двухполупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки положителен, а нижний конец вторичной обмотки отрицателен. Диод D1 находится в состоянии прямого подключения, а диод D2 находится в состоянии обратного подключения, поскольку средняя точка отрицательна относительно положительной стороны вторичной обмотки и положительна относительно отрицательной стороны вторичной обмотки. Ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D1 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL представляет собой положительную полуволну.

Путь тока через двухполупериодный выпрямитель: D1 находится в состоянии прямого подключения

В течение второй половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки отрицателен, а нижний конец вторичной обмотки положителен. Диод D1 находится в состоянии обратного подключения, а диод D2 находится в состоянии прямого подключения. Как изображено на рисунке 3-7, ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D2 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL снова представляет собой положительную полуволну.

Путь тока в двухполупериодном выпрямителе: D2 находится в состоянии прямого подключения

Поскольку ток протекает через сопротивление RL в одном и том же направлении в течение обеих половин цикла входного напряжения, через RL проходят две полуволны в течение каждого полного цикла. Тем не менее, поскольку у этого трансформатора есть средняя точка, падение напряжения на сопротивлении нагрузки представляет собой лишь

половину того, что могло бы быть, если бы нагрузка была соединена ко всей вторичной обмотке. Форма кривой выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя

www.kipiavp.ru

Схема двухполупериодного выпрямителя

Содержание:

1. Свойства двухполупериодного выпрямителя
2. Распространенные схемы двухполупериодных выпрямителей
3. Выпрямительные схемы

К категории выпрямителей относятся различные устройства, с помощью которых переменный входной электрический ток преобразуется на выходе в постоянный ток. В большинстве таких приборов невозможно создать постоянный ток и напряжение. В них осуществляется создание однонаправленного пульсирующего напряжения и тока, где сглаживание пульсаций выполняется с помощью специальных фильтров.

Среди множества подобных приборов, наиболее эффективной считается схема двухполупериодного выпрямителя. Данные устройства имеют различные технические характеристики, что позволяет применять их практически при любых значениях токов.

Свойства двухполупериодного выпрямителя

Основным свойством этих устройств является протекание электрического тока через нагрузку за оба полупериода в одном и том же направлении.

В приборах такого типа используются, в основном, мостовые или полумостовые схемы. В последнем случае однофазный ток выпрямляется с использованием специального трансформатора. В качестве вывода используется средняя точка вторичной обмотки, а количество элементов, выпрямляющих ток – в два раза меньше. В настоящее время полумостовая схема используется довольно редко из-за высокой металлоемкости и высокого активного внутреннего сопротивления, с большими потерями при нагревании трансформаторных обмоток.

Чаще всего используются двухполупериодные устройства, в схемах которых имеется сразу два вентиля. Электрический ток в нагрузке всегда протекает в одном и том же направлении. В результате, выпрямление тока происходит с участием двух полупериодов напряжения. Благодаря высокой частоте пульсаций, фильтрация выпрямляемого напряжения существенно облегчается.

Двухполупериодные выпрямители получили широкое распространение во многих радиоэлектронных устройствах, обеспечивая их нормальное питание. Возможность преобразования постоянного тока из одного напряжения в другое, дает возможность создавать в схемах питания различные напряжения при одном и том же источнике энергии.

Распространенные схемы двухполупериодных выпрямителей

Данные схемы лежат в основе многих источников питания, применяемых в радиоэлектронике и других технических областях. Таким образом, обеспечивается постоянное напряжение питания электронных устройств, технологических процессов, электромашинных приводов механизмов. Чтобы правильно эксплуатировать выпрямители, необходимо хорошо знать их основные свойства.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель с выводом от средней точки

Основными преимуществами данной схемы считается более высокий коэффициент эксплуатации вентилей по току, сниженная расчетная мощность трансформатора, низкий коэффициент, определяющий пульсацию выпрямленного напряжения.

Однако в этой схеме вентили недостаточно используются по напряжению. Само устройство обладает высоким обратным напряжением, поступающим на выпрямительные диоды. В схеме используется более сложная конструкция трансформатора.

Двухполупериодный однофазный мостовой выпрямитель

Главным преимуществом мостового выпрямителя считается повышенный коэффициент применения вентилей по напряжению. В схеме используется трансформатор с меньшей расчетной мощностью и очень простой конструкцией. Данные выпрямители нашли широкое применение в установках малой и средней мощности.

Главным недостатком мостовой схемы является необходимость строгой симметрии напряжений на каждой обмотке и применение двух обмоток вместо одной. На диодах возникает большое обратное напряжение. В сравнении с предыдущей схемой выпрямителя, требуется в два раза больше диодов, однако значение общего сопротивления постоянному току во многих случаях оказывается меньше, чем сопротивление выпрямителя со средней точкой.

Двухполупериодный выпрямитель с удвоением напряжения

Данная схема используется в случае возникновения проблем с намоткой вторичной обмотки, состоящей из множества витков, или при обмотке действующего трансформатора с недостаточным напряжением. В схеме удвоения применяется нагрузочная характеристика с круто падающим графиком. Пульсации выпрямленного тока сглаживаются конденсаторами.

Серьезным недостатком считается возможный взрыв электролитического конденсатора под действием переменного напряжения в случае пробоя одного из диодов. Представленная схема не может быть использована для получения напряжения на выходе более 200-300В из-за возможного пробоя изоляции между нитью накала и катодами в кенотроне.

Двухполупериодный выпрямитель с умножением напряжения

Представленная схема дает возможность получать высокое напряжение без использования высоковольтного трансформатора. В ней используются конденсаторы с рабочим напряжением 2Ет, независимо от того, во сколько раз умножилось значение напряжения.

Данная схема двухполупериодного выпрямителя имеет недостаток в виде разрядки конденсаторов при включении нагрузочного сопротивления. С уменьшением сопротивления нагрузки увеличивается скорость разрядки конденсаторов, снижается их напряжение. Использование этой схемы нерационально при незначительных сопротивлениях нагрузок.

Выпрямительные схемы

electric-220.ru

3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

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

Рис. 3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель

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

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

Среднее значение выпрямленного напряжения

.

Среднее значение выпрямленного тока .

Среднее значение тока диода .

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

.

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

Рис. 3.4. Временная диаграмма работы однофазного двухполупериодного выпрямителя

Подробнее рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки

.

Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

,

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

Расчетная мощность первичной обмотки

.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

3.3. Однофазный мостовой выпрямитель

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

Рис. 3.5. Однофазный мостовой выпрямитель

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

Среднее значение выпрямленного напряжения такое же, как в предыдущей схеме

.

Рис. 3.6. Временная диаграмма работы однофазного мостового выпрямителя

Среднее значение тока диода .

Максимальное обратное напряжение на диоде равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки

.

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

.

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

.

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора

,

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

Расчетная мощность первичной обмотки

.

Расчетная (типовая) мощность трансформатора

.

Коэффициент использования трансформатора по мощности

.

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

Таблица 3.1

Основные электрические параметры однофазных выпрямителей

Схема выпрямителя	Трансформатор						Диоды		Нагрузка КП(1)
	Ud/U2	I2/Id	I1/nId	S1/Pd	S2/Pd	ST/Pd	Ub.max Ud	Ia/Id
Однофазная однополупериодная	0,45	1,57	1,21	2,69	3,49	3,09	1,57	1	1,57
Однофазная двухполупериодная	0,9	0,79	1,11	1,23	1,73	1,48	3,14	0,5	0,667
Однофазная мостовая	0,9	1,11	1,11	1,23	1,23	1,23	1,57	0,5	0,667

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

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

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

Уравнение внешней характеристики

, (3.14)

где U_d0– напряжение холостого хода выпрямителя;

r_a– активное сопротивление трансформатора;

r_пр– прямое динамическое сопротивление диодов;

I_d– ток нагрузки.

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

Рис. 3.7. Внешняя характеристика выпрямителя с активной нагрузкой

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

Контрольные вопросы

1. Для чего применяются выпрямители?

2. Приведите классификацию и перечислите основные параметры выпрямителей.

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

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

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

studfile.net

принцип работы, типы и схемы

Выпрямитель преобразует колеблющийся синусоидальный источник переменного напряжения в источник постоянного напряжения постоянного тока с помощью диодов, тиристоров, транзисторов или преобразователей. Этот процесс выпрямления может принимать различные формы с полуволновыми, двухполупериодными, неконтролируемыми и полностью управляемыми выпрямителями, преобразующими однофазный или трехфазный источник питания в постоянный уровень постоянного тока. В этом уроке мы рассмотрим однофазное выпрямление и все его формы.

Описание

Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменным токам течь через них в прямом направлении, в то же время блокируя протекание тока в обратном направлении, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.

Однако постоянный ток, который выпрямляется диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет изменения напряжения в виде пульсаций, наложенных на него в результате переменного питания.

Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень вращения осциллограммы вдоль оси x, на которую генератор вращался от 0 до 360 ^o . Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, взятый для завершения одного полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Соотношение между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

Второе число указывает амплитуду значения, тока или напряжения, вдоль оси y. Это число дает мгновенное значение от нуля до некоторого пикового или максимального значения (A _MAX , V _MAX или I _MAX  ), указывающее наибольшую амплитуду синусоидальных волн, прежде чем снова вернуться к нулю. Для синусоидальной формы волны есть два максимальных или пиковых значения, одно для положительных и одно для отрицательных полупериодов.

Но помимо этих двух ценностей есть еще две, которые представляют интерес для нас в целях исправления. Один — это Среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы сигнала получается путем добавления мгновенных значений напряжения (или тока) в течение одного полупериода и обнаруживаются как: 0,6365 * V _P . Обратите внимание, что среднее значение за один полный цикл симметричной синусоидальной волны равно нулю.

Среднеквадратическое значение или эффективное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоидальной волны) обеспечивает такое же количество энергии для сопротивления, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратическое значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V _P.

Принцип работы

Все однофазные выпрямители используют полупроводниковые устройства в качестве основного устройства преобразования переменного тока в постоянный. Однофазные неконтролируемые полуволновые выпрямители являются наиболее простой и, возможно, наиболее широко используемой схемой выпрямления для малых уровней мощности, поскольку на их выход сильно влияет реактивное сопротивление подключенной нагрузки.

Для неконтролируемых выпрямительных цепей полупроводниковые диоды являются наиболее часто используемым устройством и расположены таким образом, чтобы создавать либо полуволновую, либо двухполупериодную схему выпрямителя. Преимущество использования диодов в качестве устройства выпрямления состоит в том, что по своей конструкции они являются однонаправленными устройствами, имеющими встроенный однонаправленный pn-переход.

Этот pn-переход преобразует двунаправленный переменный источник питания в однонаправленный ток, устраняя половину источника питания. В зависимости от подключения диода, он может, например, пропустить положительную половину сигнала переменного тока при прямом смещении, исключая при этом отрицательный полупериод, когда диод становится обратным смещением.

Обратное также верно, устраняя положительную половину или форму волны и передавая отрицательную половину. В любом случае, выход из одного диодного выпрямителя состоит только из одной половины формы сигнала 360 ^o, как показано на рисунке.

Полуволновое выпрямление

Приведенная выше конфигурация однофазного полуволнового выпрямителя пропускает положительную половину формы сигнала переменного тока, причем отрицательная половина исключается. Меняя направление диода, мы можем пропустить отрицательные половины и устранить положительные половины формы сигнала переменного тока. Поэтому на выходе будет серия положительных или отрицательных импульсов.

Таким образом, на подключенную нагрузку не подается напряжение или ток, R _L в течение половины каждого цикла. Другими словами, напряжение на сопротивлении нагрузки R _L состоит только из половины сигналов, либо положительных, либо отрицательных, поскольку оно работает только в течение половины входного цикла, отсюда и название полуволнового выпрямителя.

Надеемся, что мы видим, что диод позволяет току течь в одном направлении, создавая только выход, который состоит из полупериодов. Эта пульсирующая форма выходного сигнала не только изменяется ВКЛ и ВЫКЛ каждый цикл, но присутствует только в 50% случаев, и при чисто резистивной нагрузке это содержание пульсации высокого напряжения и тока является максимальным.

Этот пульсирующий постоянный ток означает, что эквивалентное значение постоянного тока падает на нагрузочном резисторе, поэтому R _L составляет только половину среднего значения синусоидальных сигналов. Поскольку максимальное значение синусоидальной формы сигнала равно 1 (sin (90 ^o )), среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды.

Таким образом, во время положительного полупериода A _AVE составляет 0,637 * A _MAX . Однако, поскольку отрицательные полупериоды удалены из-за выпрямления диодом, среднее значение в течение этого периода будет нулевым, как показано.

Среднее значение синусоиды

Таким образом, для полуволнового выпрямителя в 50% случаев среднее значение составляет 0,637 * A _MAX, а в 50% случаев — ноль. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R _L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для полуволнового выпрямителя задаются как:

V _AVE  = 0,318 * V _MAX

I _AVE  = 0,318 * I _MAX

Обратите внимание, что максимальное значение A _MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного полуволнового выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для полуволнового выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9 (форм-фактор) и делим произведение на 2, то есть умножаем его на 0,45, получая:

V _AVE  = 0,45 * V _RMS

I _AVE  = 0,45 * I _RMS

Затем мы можем видеть, что схема полуволнового выпрямителя преобразует либо положительные, либо отрицательные половины формы сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,318 * A _MAX или 0,45 * A _RMS, как показано.

Полноволновое выпрямление

В отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выхода. Это происходит потому, что двухполупериодный выпрямитель в основном состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Эта мостовая конфигурация диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любое время два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Таким образом, в проводящем тракте два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V _IN и V _OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и прежде, для простоты математики мы примем идеальные диоды.

Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V _IN диоды D ₁ и D ₄ смещены в прямом направлении, а диоды D ₂ и D ₃ — в обратном. Затем для положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D ₁ — A — R _L — B — D ₄ и возвращается к источнику питания.

Во время отрицательного полупериода V _IN диоды D ₃ и D ₂ смещены в прямом направлении, а диоды D ₄ и D ₁ — в обратном. Затем для отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D ₃ — A — R _L — B — D ₂ и возвращается к источнику питания.

В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в том же направлении через нагрузку, R _L между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом при нагрузке.

Таким образом, в зависимости от того множества проводящих диодов, узел А всегда более положительный, чем узел B. Поэтому ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.

Форма волны на выходе выпрямителя

Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением. Мы помним сверху, что среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды. Однако, в отличие от описанного выше полуволнового выпрямления, двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

Здесь мы можем видеть, что для двухполупериодного выпрямителя для каждого положительного пика имеется среднее значение 0,637 * A _MAX, и, поскольку на входной сигнал имеется два пика, это означает, что есть две серии средних значений, суммируемых вместе. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у предыдущего полуволнового выпрямителя. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R _L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для двухполупериодного выпрямителя задаются как:

V _AVE  = 0,637 * V _MAX

I _AVE  = 0,637 * I _MAX

Как и прежде, максимальное значение A _MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:

V _AVE  = 0,9 * V _RMS

I _AVE  = 0,9 * I _RMS

Затем мы можем видеть, что двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A _MAX или 0,9 * A _RMS.

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.

Мы также узнали, что после включения тиристор снова выключается только после того, как его сигнал затвора удален, а ток анода упал ниже удерживающего тока тиристоров I _H, поскольку переменное напряжение питания переменного тока смещает его. 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 .

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.

В конфигурации с полностью управляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров на полупериод. Тиристоры SCR ₁ и SCR ₄ запускаются вместе как пара во время положительного полупериода, в то время как тиристоры SCR ₃ и SCR ₄ также запускаются вместе как пара во время отрицательного полупериода. Это 180 ^oпосле SCR ₁ и SCR ₄ .

Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).

Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:

со средним выходным напряжением, изменяющимся от V _MAX / π до -V _MAX / π путем изменения угла зажигания, α от π до 0 соответственно. Поэтому, когда α <90 ^o,среднее напряжение постоянного тока является положительным, а когда α> 90 ^oсреднее напряжение постоянного тока является отрицательным. То есть мощность течет от нагрузки постоянного тока к источнику переменного тока.

Резюме однофазного выпрямления

Мы увидели в этом уроке об однофазном выпрямлении, что однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.

Преимуществами полуволнового выпрямителя являются его простота и низкая стоимость, так как для него требуется только один диод. Однако это не очень эффективно, так как используется только половина входного сигнала, дающего низкое среднее выходное напряжение.

Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем полуволновой выпрямитель, поскольку он использует оба полупериода входной синусоидальной волны, создавая более высокое среднее или эквивалентное выходное напряжение постоянного тока. Недостатком двухполупериодной мостовой схемы является то, что она требует четырех диодов.

Фазоуправляемое выпрямление использует комбинации диодов и тиристоров (SCR) для преобразования входного напряжения переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Полностью контролируемые выпрямители используют четыре тиристора в своей конфигурации, тогда как наполовину управляемые выпрямители используют комбинацию как тиристоров, так и диодов.

Тогда независимо от того, как мы это делаем, преобразование синусоидального сигнала переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением.

meanders.ru

Двухполупериодный полупроводниковый выпрямитель | Volt-info

   Для построения диодных выпрямителей чащё всего используются двухполупериодные схемы. Рассмотрим две, принципиально отличающиеся средствами достижения цели, но дающие одинаковый результат.

  Общее описание. 

      Двухполупериодный выпрямитель – устройство преобразования переменного напряжения в постоянное, работающее по принципу бесконтактной коммутации используемых выводов источника переменного напряжения с нагрузкой, создавая однополярное питание.

Трансформаторная схема с двойной обмоткой и общим выводом

Рисунок 1. Однофазный двухполупериодный выпрямитель. Трансформаторная схема с двойной обмоткой и общим выводом.

   На рисунке 1 а) изображена электрическая схема выпрямителя. На рисунках 1 б) и в) дано графическое пояснения принципа работы схемы. Прокомментирую:

   В один из полупериодов, назовём его условно «положительным», рисунок 1 б), на вторичной обмотке формируется напряжение положительной полярности на верхнем выводе относительно общего, и отрицательной полярности на нижнем выводе относительно общего. При этом, диод VD2 под действием обратного напряжения запирается, а диод VD1 под действием прямого напряжения открывается и коммутирует верхний вывод вторичной обмотки с нагрузкой. От верхнего вывода вторичной обмотки, через диод VD1, лампу HL1 и проводник, соединяющий лампу с общим выводом обмотки, течёт электрический ток. Ток изображён красной линией со стрелками, указывающими условное направление его протекания.

   Во второй, «отрицательный» полупериод, диод VD1 запирается обратным, а диод VD2 открывается прямым напряжениями. Ток течёт от нижнего вывода вторичной обмотки через диод VD2, лампу HL1 и проводник, соединяющий лампу с общим выводом вторичной обмотки.

   Обратите внимание на то, что в этой схеме оба полупериода являются рабочими. Поэтому схема носит название двухполупериодного выпрямителя. При этом в каждый из полупериодов через лампу течёт ток всегда в одном направлении, т.е. полярность питания на выводах лампы не изменяется. В этом суть выпрямления.

Диодный мост

   Ещё одна очень распространённая схема позволяет собрать выпрямитель без применения трансформатора. Это схема диодного моста, рисунок 2.

 

Рисунок 2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель типа «диодный мост».

   На рисунке 2 а) показана электрическая схема питания нагрузки постоянного тока от источника переменного через диодный мост. На рисунке 2 б) и в) дано графическое пояснение принципа действия схемы.

   Рисунок 2 б) и в) имеет «развёрнутый» вид схемы диодного моста, рисунка 2 а). Это сделано для визуального удобства пояснений. Комментирую:

   В «положительный» полупериод, рисунок 1 б), диоды VD2 и VD3 закрываются, а VD1 и VD4 открываются и через них течёт ток нагрузки. Путь протекания тока отмечен непрерывной красной линией со стрелками, условно показывающими направление тока.

   В «отрицательный» полупериод происходит переключение диодов. Диоды VD1 и VD4 запираются, VD2 и VD3 открываются. Через открывшиеся диоды VD2 и VD3 протекает ток нагрузки.

   В этой схеме также оба полупериода являются рабочими, а ток в каждый из них через нагрузку всегда течёт в одном направлении.

Достоинства схем

   Достоинством представленных схем является их простота и достаточно высокая эффективность. Наиболее эффективно работает трансформаторная схема с двойной обмоткой и общим выводом, рисунок 1, поскольку при передаче электрической энергии в процессе каждого полупериода участвует только один диод, потери мощности происходят в проводниках и одном p-n переходе диода. Но эта конструкция является более дорогостоящей из-за необходимости использования специфичного трансформатора. Схема диодного моста, показанная на рисунке 2, имеет несколько сниженную эффективность, в ней потери энергии происходят в проводниках и двух p-n переходах одновременно работающих диодов в каждом полупериоде. Тем не менее, эта схема не требует обязательного использования трансформатора, является более универсальной и дешёвой, и получила очень широкое применение в различных электротехнических устройствах.   

volt-info.ru

принцип работы, схемы и т.д.

Однополупериодный выпрямитель — это устройство или контур, проводящее во время одной половины цикла переменного тока. Однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводникового диода (D1) и сопротивления (RL).

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однополупериодного выпрямителя

В этом примере сопротивление RL представляет нагрузку, хотя, на самом деле, нагрузкой может быть любой элемент или группа элементов, которая может вызвать падение напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии прямого подключения — положительный электрический потенциал воздействует на его анод, а отрицательный потенциал воздействует на его катод. Когда D1 находится в состоянии прямого подключения, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки трансформатора, через сопротивление нагрузки, через диод, обратно к положительной стороне вторичной обмотки. Поскольку ток протекает через сопротивление нагрузки, в нём происходит падение напряжения; ток, выходящий из выпрямительного контура появляется в виде положительной полуволны на сопротивлении нагрузки.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

В течение второй половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии обратного подключения — на его анод воздействует отрицательный электрический потенциал, а положительный электрический потенциал воздействует на его катод. Этот диод не проводит, поэтому в сопротивлении нагрузки RL никакое напряжение не присутствует.

Однополупериодный выпрямитель в состоянии обратной проводимости D1

Как видно по форме кривой, у однополупериодных выпрямителей только одна полуволна постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе. По этой причине в оборудованиях обычно не применяются однополупериодные выпрямители; когда они используются, они обычно устанавливаются в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не бывают причиной для беспокойства.

Форма кривой выходного сигнала однополупериодного выпрямителя

www.kipiavp.ru

Двухполупериодный выпрямитель принцип действия, коэффициент пульсации выпрямленного тока

Схема двухполупериодного однотактного выпрямителя:

i₁ i₂

Д₁

R_H

U_H

Д₂

U₁ U₂

— +

Рассматриваемое ВУ фактически представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей с общей нагрузкой. При этом напряжение U₂на каждой половине вторичной обмотки можно рассматривать как два независимых синусоидальных напряжения, сдвинутых относительно друг друга на 180⁰. Поскольку каждый диод проводит ток только в течение той половины периода, когда анод диода становится положительным относительно катода, то при заданном направлении напряжения на вторичной обмотке трансформатора проводить ток будет только диод Д₁. При изменении направления напряжения на вторичной обмотке проводящим становится диод Д₂. Таким образом, диоды Д₁и Д₂будут находиться в проводящем состоянии в различные полупериоды вторичного, а, следовательно, и первичного напряжения на обмотках трансформатора.

Кривую выпрямленного тока, протекающего по нагрузке при двухполупериодном выпрямлении также можно разложить в гармонический ряд Фурье:

i=I_m(2/π-4/3π cos2wt-4/15π cos4wt-…)

Также, как и для предыдущей схемы, наряду с переменными составляющими тока, гармонический ряд содержит и постоянную составляющую I₀=2/πI_m. В этом случае постоянная напряжения на нагрузке

U₀=2U_2m/π=2√2 ∙U₂/π.

Следует отметить, что пульсация тока при двухполупериодной схеме выпрямления значительно уменьшается по сравнению со схемой однополупериодного выпрямления, так как коэффициент пульсаций в данном случае

q=(4/3πI_m)/(2/πI_m)=2/3.

Максимальное значение обратного напряжения в этой схеме: U_обр.m=2U_2m.

По сравнению со схемой однополупериодного выпрямителя в двухполупериодном выпрямителе ток в первичной обмотке не будет содержать постоянной составляющей, так как в этой обмотке ток протекает в течение всего периода, следовательно, намагничивание сердечника будет отсутствовать, следовательно, тепловые потери падают. Поэтому, если необходимо получить большие выпрямленные токи\напряжения, улучшенные условия фильтрации и более высокий КПД, то лучше использовать двухполупериодную схему.

Емкостной и индуктивный электрические фильтры в выпрямительной схеме и их влияние на коэффициент пульсации выпрямленного тока

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения можно значительно снизить (до 0,002-0,02), если на выходе выпрямителя включить сглаживающие фильтры. Простейшими сглаживающими фильтрами являются конденсатор, включаемый параллельно нагрузке, и дроссель, включаемый последовательно с нагрузкой.

Выпрямитель Нагрузка Выпрямитель Нагрузка

При использовании простейшего емкостного фильтра сглаживание пульсаций выпрямленного тока\напряжения происходит за счёт периодической зарядки конденсатора фильтра С_ф(когда напряжение на выходе выпрямителя превышает напряжение на нагрузке) и последующей его разрядки на нагрузку. Конденсатор не пропускает постоянной составляющей тока и обладает тем меньшим сопротивлением для переменных составляющих, чем выше их частота.

Простейший индуктивный сглаживающий фильтр состоит из индуктивной катушки-дросселя, включаемой последовательно с нагрузкой. В результате пульсаций выпрямленного тока в катушке индуктивности возникает ЭДС самоиндукции e_L=±Ldi/dt, которая в силу закона электромагнитной инерции стремится сгладить пульсации тока\напряжения в цепи нагрузки. Индуктивные фильтры обычно применяются в схемах с большими значениями выпрямленного тока, т.к. в случае увеличивается эффективность сглаживания.

С помощью комбинированных (Г- и П-образных) фильтров, состоящих из индуктивностей и ёмкостей, можно получить значительно меньшие коэффициенты пульсаций напряжений\токов в цепи нагрузки, чем при раздельном использовании фильтров. Такие фильтры обладают свойствами и простейших емкостных, и индуктивных фильтров.

Г-образный фильтр П-образный фильтр

studfile.net