Принцип работы двухполупериодного выпрямителя

На рисунке изображена двухполупериодная схема преобразования тока. К трансформирующему прибору подключен диод, от которого напряжение идет от конденсатора к резистору.

Представляет собой простейшую схему сглаживания сигнала. Состоит из одного полупроводникового диода, который подключается к вторичной обмотке трансформирующего прибора и резистора для нагрузки.

Текущее через схему напряжение проходит синусоидальный цикл изменений, включает положительные и отрицательные отрезки синусоиды переменного напряжения. За счет свойств диода отрицательный полупериод обрезается, проходит только положительный. К аноду полупроводникового элемента подключают положительный заряд. Если подключение обратное, при котором напряжение на катоде выше, чем на аноде, из-за сопротивления ток не проходит.

Поэтому частота двухполупериодного сигнала в два раза превышает входную частоту:

Двухполупериодный выпрямитель

Для выпрямления обоих полупериодов синусоиды в двухполупериодном выпрямителе используются два диода, по одному на каждую половину цикла. Также в таком выпрямителе используется трансформатор, имеющий во вторичной обмотке центральный отвод.

Двухполупериодный выпрямитель похож на два полуволновых выпрямителя. На следующем рисунке показана двухполупериодная схема выпрямителя.

Работу этой схемы легко понять по одному полупериоду за раз. Рассмотрим первый полупериод, когда точка A положительна по отношению к C. В это время диод D1 смещен в прямом направлении, а диод D2 — в обратном. Следовательно, только верхняя половина вторичной обмотки трансформатора обеспечивает ток в течение этого полупериода. Это создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе.

В течение следующего полупериода полярность напряжения источника меняется на противоположную. Теперь точка B положительна по отношению к C. На этот раз диод D2 смещен в прямом направлении, а диод D1 — в обратном. Как вы можете видеть, только вторая половина вторичной обмотки трансформатора обеспечивает ток. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.

В результате выпрямленный ток нагрузки протекает в течение обоих полупериодов, благодаря чему мы получаем двухполупериодный сигнал на нагрузке.

Если говорить об однофазных диодных выпрямителях в общем, то двухполупериодный выпрямитель со средней точкой позволяет получить меньшие потери на самих диодах, так как диодов здесь всего два.

Если говорить об однофазных диодных выпрямителях в общем, то двухполупериодный выпрямитель со средней точкой позволяет получить меньшие потери на самих диодах, так как диодов здесь всего два.

К тому же, обычно, подобные выпрямители используются в низковольтных устройствах, где ток через диоды существенен. Следовательно и по данному аспекту двухполупериодная схема со средней точкой более выгодна, поскольку потери энергии на диодах пропорциональны квадрату средней величины протекающего через них тока.

И если учесть доступность и качество диодов Шоттки (с низким прямым падением напряжения), широко представленных на современном рынке, то выбор в пользу схемы со средней точкой очевиден.

А если речь заходит о двухтактных трансформаторных импульсных преобразователях (мостовых, полумостовых, push-pull), работающих на частотах сильно превышающих обычную сетевую, то здесь только и остается схема выпрямителя со средней точкой и никакая другая.

Однако в данной статье мы остановимся на рассмотрении расчета выпрямителя применительно к низкой сетевой частоте 50 Гц, где выпрямляемый ток является синусоидальным.

Прежде всего необходимо отметить, что в выпрямитель который строится по данной схеме, обязывает нас иметь трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, либо с одной вторичной обмоткой, но имеющей вывод посередине (что по сути одно и то же).

Напряжение, получаемое поочередно с полуобмоток такого трансформатора, является фактически двухфазным относительно средней точки, которая выступает нулевой точкой при выпрямлении, поскольку здесь формируются две ЭДС, равные друг другу по величине, но противоположные по направлению. То есть напряжения на крайних выводах вторичной обмотки трансформатора, возникающие в каждый момент его работы, сдвинуты по фазе на 180 градусов.

Противоположные крайние выводы обмоток w21 и w22 подключаются к анодам диодов VD1 и VD2, при этом напряжения u21 и u22, прикладываемые к диодам, находятся в противофазе.

Поэтому диоды проводят ток по очереди — каждый в течение своего полупериода напряжения питания: в течение одного полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD1, и ток i21 течет через него, через нагрузку и через обмотку (полуобмотку) w21, при этом диод VD2 находится в обратносмещенном состоянии, он заперт, поэтому и ток через полуобмотку w22 не течет.

В течение следующего полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD2, и ток i22 течет через него, через нагрузку и через обмотку (полуобмотку) w22, при этом диод VD1 находится в обратносмещенном состоянии, он заперт, поэтому и ток через полуобмотку w21 не течет.

Достигаемый результат заключается в том, что через нагрузку ток течет всегда в одном и том же направлении, то есть ток оказывается выпрямленным. И каждая из половин вторичной обмотки трансформатора получается нагружена лишь в течение одного полупериода из двух. Для трансформатора это означает, что в его магнитопроводе никогда не наступает подмагничивания, так как магнитодвижущие силы постоянных составляющих токов обмоток направлены встречно.

Обозначим действующее напряжение между средней точкой и дальним выводом любой из полуобмоток как U2. Тогда среднее выпрямленное напряжение Ud получается между средней точкой вторичной обмотки и точкой соединения катодов диодов. В этом случае среднее значение напряжения на нагрузке будет равно:

Видим, что среднее значение выпрямленного напряжения соотносится с действующим значением так же, как среднее значение тока соотносится с действующим значением тока при невыпрямленном синусоидальном напряжении.

Среднее значение тока нагрузки находится по формуле (где Rd – сопротивление нагрузки):

А поскольку ток через диоды течет поочередно, то теперь можно найти средний ток каждого диода и амплитуду тока для каждого диода. Выбирая диод для такого выпрямителя, важно обратить внимание на то, чтобы максимально допустимый ток диода был несколько больше найденного по данной формуле значения:

При проектировании двухполупериодного выпрямителя со средней точкой также важно не забывать о том, что обратное напряжение, прикладываемое к запертому диоду в то время когда другой диод проводит ток, достигает двойной амплитуды напряжения полуобмотки. Поэтому максимальное обратное напряжение для выбираемого диода всегда должно быть больше чем данная величина:

Когда выходное (выпрямленное) напряжение Ud является заданным, то действующее значение напряжения U2 на вторичной полуобмотке будет соотноситься с ним следующим образом (сравните с самой первой формулой):

Кроме того, проектируя выпрямитель и задавая среднее выходное напряжение Ud, которое должно быть получено на нагрузке, необходимо прибавить к нему прямое падение напряжения на диоде Uf (оно приводится в документации на диод). Умножив половину среднего тока нагрузки на значение прямого падения напряжения на диоде, получим величину мощности, которая неизбежно должна будет рассеиваться на каждом из двух диодов в форме тепла:

Выбирая диоды важно это учесть, оценить возможности корпуса диода, сможет ли он рассеять столько мощности и не выйти при этом из строя. При необходимости придется произвести дополнительные тепловые расчеты касательно подбора радиаторов, к которым будут прикреплены данные диоды.

Сделайте небольшой донат на развитие сайта «Школа для электрика»!

Рис. 1.2.4

1.2.4 Рекомендации по выполнению предварительного расчета

Сопротивление нагрузочного резистора рассчитывается по формуле

Емкость сглаживающего конденсатора для однополупериодного выпрямителя (рис. 1.2.7) рассчитывается по приближенной формуле

.

Здесь — частота напряжения источника переменного напряжения ( = 50 Гц);
— коэффициент пульсаций (в относительных единицах).

Емкость конденсатора для двухполупериодного выпрямителя меньше в два раза:

.

В источнике вторичного электропитания с параметрическим стабилизатором напряжение на выходе выпрямителя целесообразно выбирать примерно в два раза большим напряжения нагрузки . Если используется мостовой выпрямитель, сопротивление балластного резистора находится по формуле

.

Здесь — напряжение стабилитрона в режиме пробоя, — напряжение открытого диода, — минимальный ток стабилитрона.
В схеме с параметрическим стабилизатором емкость сглаживающего конденсатора рассчитывается по формуле

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на общую нагрузку.

Схема двухполупериодного выпрямителя с нулевой точкой.

Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой можно рассматривать как два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на общую нагрузку.

В этой схеме каждый из диодов проводит ток только в течение той части периода, когда анод имеет более высокий потенциал относительно катода, в этом случае диод открыт.

За период входного напряжения u 1 или вторичного напряжения u 2 в один полупериод диод VD1 проводит ток i’ 2 , а в другой полупериод — проводит ток i» 2 диод VD2. В результате временные диаграммы токов и напряжений приобретают вид, представленный на рисунке 7.6.

двухполупериодной схеме значительно уменьшается, так как коэффициент пульсации в этом случае равен:

Несмотря на разное изображение, электрическое подключение остается неизменным, и все-таки первый вариант используется значительно чаще, так что и мы будем придерживаться именно его.

В одной из недавних статей мы разбирались с устройством и принципом работы однополупериодного выпрямителя, так вот, сегодня продолжим эту тему! И перейдем, как и собирались, к более сложной схеме выпрямителя, и в то же время самой популярной. Речь идет, конечно же, о двухполупериодном выпрямителе, сердцем которого является диодный мост.

Диодный мост – это электронное устройство, которое как раз и предназначено для решения задачи выпрямления тока. Изобретателем этой схемы является немецкий физик Лео Гретц, поэтому также можно встретить название мост Гретца, что весьма логично

Базовый диодный мост состоит из 4-х диодов, соединенных следующим образом:

Но зачастую на принципиальных схемах можно встретить упрощенное обозначение:

Собственно, давайте рассмотрим непосредственно схему двухполупериодного выпрямителя:

Здесь также возможны некоторые вариации, например:

Несмотря на разное изображение, электрическое подключение остается неизменным, и все-таки первый вариант используется значительно чаще, так что и мы будем придерживаться именно его.

Резистор R_н в данном примере играет роль полезной нагрузки. Как и при разборе однополупериодного выпрямителя рассмотрим случай с синусоидальным напряжением на входе:

В случае положительного полупериода сигнала ( U_ <вх>gt 0 ), ток будет протекать через диоды D1 и D3 . Давайте рассмотрим путь тока более наглядно:

А на отрицательном полупериоде, напротив, диоды D1 и D3 будут закрыты, а протекание тока обеспечат D2 и D4 :

В обоих случаях ток через нагрузку будет течь в одном и том же направлении, от точки, помеченной знаком “+” на схеме, к точке “-“. А именно для этого мы и используем выпрямитель – чтобы ток через нагрузку протекал только в одном направлении! И в результате выходной сигнал имеет такой вид:

Сразу же очевидно отличие от однополупериодной схемы, когда сигнал на выходе был только на протяжении одного полупериода. В данном же случае, ток через нагрузку течет как на положительном, так и на отрицательном полупериоде! Поэтому схема и называется двухполупериодной.

Но! Также как и в случае с однополупериодным выпрямителем на выходе мы получаем пульсирующий ток, а не строго постоянный. Поэтому необходимо использовать сглаживающий фильтр, который в самом простом варианте может состоять из одного конденсатора:

Емкость должна быть такой, чтобы конденсатор не успевал быстро разрядиться. Итак, добавляем конденсатор в схему выпрямителя на диодном мосте и проверяем напряжение на нагрузке:

Совсем другое дело!

Существуют специальные диодные сборки, которые представляют из себя четыре одинаковых по характеристикам диода, соединенные по мостовой схеме, помещенные в один корпус. Соответственно, такая сборка имеет четыре вывода, все в точности как на нашей схеме. Выводы, предназначенные для подключения переменного тока (входного сигнала) могут обозначаться символом “

” или буквами AC, традиционными для переменного тока. Выводы же, к которым подключается нагрузка, обозначаются “+” и “-“. Но все это, конечно, индивидуально и зависит от использующегося устройства.

Несколько примеров диодных мостов в сборке:

И по традиции, в завершение статьи, резюмируем плюсы и минусы двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным:

• В первую очередь, поскольку здесь используются уже оба полупериода сигнала, то, естественно, КПД схемы больше.
• Кроме того, пульсирующее напряжение на выходе имеет в 2 раза большую частоту, а такие пульсации сгладить проще.

Но, как и всегда, есть и свои недостатки:

И вот на этом точно заканчиваем на сегодня Всем спасибо за внимание, любые вопросы можно задавать на нашем форуме, в группе ВКонтакте или в комментариях к статье!

Площадь под интегральной кривой равна:

Рис.1. Схема однополупериодного выпрямителя.

Выпрямитель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток. [1] [2]

Большинство выпрямителей создаёт не постоянные, а пульсирующие однонаправленные напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которых применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянных напряжения и тока в переменные напряжение и ток — называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Данные выпрямители применяются также для обеспеченияпитанием в системах наблюдения и сигнализации. В области малыхмощностей они находят применение для заряда стартерных батарейдизельных двигателей и газовых турбин.

Принцип действия выпрямителя очевиден из приведенного рисунка. Схема с самозапуском – операционный усилитель (ОУ) питается от выпрямленного напряжения.

24.Назначение, схема и принцип работы двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

В том случае если при выпрямлении переменного тока необходимо использовать оба полупериода, то нам потребуется выпрямитель совершенного иного типа. Такая схема называется двухполупериодным выпрямителем. В одной разновидности двухполупериодного выпрямителя, называемой выпрямителем со средней точкой, используется трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки и два диода, как показано на рисунке ниже.

Выпрямитель Миткевича «два четвертьмоста параллельно» на двуханодной лампе. Здесь вторичная обмотка Н служит для накала катода лампы.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Принцип работы этой схемы нетрудно понять путём анализа по отдельности каждого полупериода. Сначала рассмотрим первый полупериод, когда напряжение источника будет положительным (+) сверху и отрицательным (-) снизу. В этот момент проводит только верхний диод, а нижний блокирует ток, и, следовательно, нагрузка «видит» только первый полупериод синусоиды. В этой части цикла ток протекает только по верхней половине вторичной обмотки трансформатора (см. рисунок ниже).

в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции .

Площадь под интегральной кривой равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора (или расход меди).

25.Назначение, схема и принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя

Принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя Двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из трансформатора Тр и четырх диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой нагрузочный резистор Rн. Каждая пара диодов Д1, Д3 и Д2, Д4 работает поочередно.

Большинство выпрямителей создает не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Значение постоянного напряжение выходного сигнала

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

Это уравнение говорит нам, что значение постоянного напряжения составляет около 63,6 процента от пикового значения . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Например, если пиковое переменное напряжение составляет 10 В, то постоянное напряжение будет 6,36 В.

Когда вы измеряете напряжение на выходе мостового выпрямителя с помощью вольтметра, показание будет равно среднему значению.

Основное отличие устройств от своих однофазных аналогов проявляется в следующем:

Сравнение однофазных и трехфазных устройств

При сравнении трехфазных схем выпрямления со однофазными аналогами важно отметить следующие моменты:

• первые используются только в силовых сетях 380 Вольт, а вторую разновидность допускается устанавливать и в однофазные и в трехфазные цепи (по одному на каждую из фаз);
• выпрямители 380 Вольт позволяют преобразовывать большую мощность и развивать значительные токи в нагрузке;
• с другой стороны самостоятельно сделать трехфазный выпрямитель несколько труднее, поскольку он состоит из большего числа комплектующих изделий.

Понять суть работы трехфазного выпрямителя совсем несложно. Для этого потребуется ознакомиться с основами работы вентильных устройств и проанализировать электрическую схему их включения. Знание принципа действия выпрямительных приборов поможет пользователю эффективнее использовать его в повседневной работе.