Выпрямители. Как и почему.
Итак, дорогие мои, мы собрали нашу схемку и пришло время ее проверить, испытать и нарадоваться сему щастью. На очереди у нас – подключение схемы к источнику питания. Приступим. На батарейках, аккумуляторах и прочих прибамбасах питания мы останавливаться не будем, перейдем сразу к сетевым источникам питания. Здесь рассмотрим существующие схемы выпрямления, как они работают и что умеют. Для опытов нам потребуется однофазное (дома из розетки) напряжение и соответствующие детальки. Трехфазные выпрямители используются в промышленности, мы их рассматривать также не будем. Вот электриками вырастете – тогда пжалста.
Источник питания состоит из нескольких самых важных деталей: Сетевой трансформатор – на схеме обозначается похожим как на рисунке,
Выпрямитель – его обозначение может быть различным. Выпрямитель состоит из одного, двух или четырех диодов, смотря какой выпрямитель. Сейчас будем разбираться.
а) – простой диод. б) – диодный мост. Состоит из четырех диодов, включенных как на рисунке. в) – тот же диодный мост, только для краткости нарисован попроще. Назначения контактов такие же, как у моста под буквой б).
Конденсатор фильтра. Эта штука неизменна и во времени, и в пространстве, обозначается так:
Обозначений у конденсатора много, столько же, сколько в мире систем обозначений. Но в общем они все похожи. Не запутаемся. И для понятности нарисуем нагрузку, обозначим ее как Rl – сопротивление нагрузки. Это и есть наша схема. Также будем обрисовывать контакты источника питания, к которым эту нагрузку мы будем подключать.
Далее – пара-тройка постулатов. – Выходное напряжение определяется как Uпост = U*1.41. То есть если на обмотке мы имеем 10вольт переменного напряжения, то на конденсаторе и на нагрузке мы получим 14,1В. Примерно так. – Под нагрузкой напряжение немного проседает, а насколько – зависит от конструкции трансформатора, его мощности и емкости конденсатора. – Выпрямительные диоды должны быть на ток в 1,5-2 раза больше необходимого. Для запаса. Если диод предназначен для установки на радиатор (с гайкой или отверстие под болт), то на токе более 2-3А его нужно ставить на радиатор.
Так же напомню, что же такое двуполярное напряжение. Если кто-то подзабыл. Берем две батарейки и соединяем их последовательно. Среднюю точку, то есть точку соединения батареек, назовем общей точкой. В народе она известна так же как масса, земля, корпус, общий провод. Буржуи ее называют GND (ground – земля), часто ее обозначают как 0V (ноль вольт). К этому проводу подключаются вольтметры и осциллографы, относительно нее на схемы подаются входные сигналы и снимаются выходные. Потому и название ее – общий провод. Так вот, если подключим тестер черным проводом в эту точку и будем мерить напряжение на батарейках, то на одной батарейке тестер покажет плюс1,5вольта, а на другой – минус1,5вольта. Вот это напряжение +/-1,5В и называется двуполярным. Обе полярности, то есть и плюс, и минус, обязательно должны быть равными. То есть +/-12, +/-36В, +/-50 и т.д. Признак двуполярного напряжения – если от схемы к блоку питания идут три провода (плюс, общий, минус). Но не всегда так – если мы видим, что схема питается напряжением +12 и -5, то такое питание называется двухуровневым, но проводов к блоку питания будет все равно три. Ну и если на схему идут целых четыре напряжения, например +/-15 и +/-36, то это питание назовем просто – двуполярным двухуровневым.
Ну а теперь к делу.
1. Мостовая схема выпрямления.
Самая распространенная схема. Позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Схема обладает минимальными пульсациями напряжения и несложная в конструкции.
2. Однополупериодная схема.
Так же, как и мостовая, готовит нам однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Разница лишь в том, что у этой схемы удвоенные пульсации по сравнению с мостовой, но один диод вместо четырех сильно упрощает схему. Используется при небольших токах нагрузки, и только с трансформатором, много большим мощности нагрузки, т.к. такой выпрямитель вызывает одностороннее перемагничивание трансформатора.
3. Двухполупериодная со средней точкой.
Два диода и две обмотки (или одна обмотка со средней точкой) будут питать нас малопульсирующим напряжением, плюс ко всему мы получим меньшие потери в сравнении с мостовой схемой, потому что у нас 2 диода вместо четырех.
4. Мостовая схема двуполярного выпрямителя.
Для многих – наболевшая тема. У нас есть две обмотки (или одна со средней точкой), мы с них снимаем два одинаковых напряжения. Они будут равны, пульсации будут малыми, так как схема мостовая, напряжения на каждом конденсаторе считается как напряжение на каждой обмотке помножить на корень из двух – всё, как обычно. Провод от средней точки обмоток выравнивает напряжения на конденсаторах, если нагрузки по плюсу и по минусу будут разными.
5. Схема с удвоением напряжения.
Это две однополупериодные схемы, но с диодами, включенными по разному. Применяется, если нам надо получить удвоенное напряжение. Напряжение на каждом конденсаторе будет определяться по нашей формуле, а суммарное напряжение на них будет удвоенным. Как и у однополупериодной схемы, у этой так же большие пульсации. В ней можно усмотреть двуполярный выход – если среднюю точку конденсаторов назвать землей, то получается как в случае с батарейками, присмотритесь. Но много мощности с такой схемы не снять.
Читать также: Тепло и электропроводность цинка
6. Получение разнополярного напряжения из двух выпрямителей.
Совсем не обязательно, чтобы это были одинаковые блоки питания – они могут быть как разными по напряжению, так и разными по мощности. Например, если наша схема по +12вольтам потребляет 1А, а по -5вольтам – 0,5А, то нам и нужны два блока питания – +12В 1А и -5В 0,5А. Так же можно соединить два одинаковых выпрямителя, чтобы получить двуполярное напряжение, например, для питания усилителя.
7. Параллельное соединение одинаковых выпрямителей.
Оно нам дает то же самое напряжение, только с удвоенным током. Если мы соединим два выпрямителя, то у нас будет двойное увеличение тока, три – тройное и т.д.
Ну а если вам, дорогие мои, всё понятно, то задам, пожалуй, домашнее задание. Формула для расчета емкости конденсатора фильтра для двухполупериодного выпрямителя:
Для однополупериодного выпрямителя формула несколько отличается:
Двойка в знаменателе – число «тактов» выпрямления. Для трехфазного выпрямителя в знаменателе будет стоять тройка.
Во всех формулах переменные обзываются так: Cф – емкость конденсатора фильтра, мкФ Ро – выходная мощность, Вт U – выходное выпрямленное напряжение, В f – частота переменного напряжения, Гц dU – размах пульсаций, В
Для справки – допустимые пульсации: Микрофонные усилители – 0,001. 0,01% Цифровая техника – пульсации 0,1. 1% Усилители мощности – пульсации нагруженного блока питания 1. 10% в зависимости от качества усилителя.
Эти две формулы справедливы для выпрямителей напряжения частотой до 30кГц. На бОльших частотах электролитические конденсаторы теряют свою эффективность, и выпрямитель рассчитывается немного не так. Но это уже другая тема.
Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).
Принцип работы выпрямителя
Структурная схема выпрямителя показана ниже:
Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.
Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.
В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.
Какие бывают выпрямители
Построение устройств, выпрямляющих переменный ток, базируется на функции итогового агрегата. При необходимости только выравнивать колебания сборка на печатных платах производится за счет неуправляемых полупроводниковых элементов – диодов. Таким образом строятся простейшие выравнивающие элементы.
При необходимости изменений уровня мощности, которая передается на принимающее оборудование, устройство собирают с использованием контролируемых вентилей (тиристоров). Такие выпрямители тока требуются для работы некоторых двигателей, работающих за счет электричества. За счет регулировки подаваемого напряжения изменяется скорость вращения ротора.
N-фазные выпрямители
В подобных устройствах насчитывают более 3 фаз для выпрямления тока. Другие конструктивные особенности различаются. Многофазный выпрямитель может состоять как из полноценного моста, так и из четверти и половины. По количеству входов и распараллеливанию их делят на раздельные, объединенные звездами или кольцами. Кроме того, существуют последовательные виды.
Какой конденсатор поставить после диодного моста – Диодный мост, как правильно подобрать номинал конденсаторов? — Хабр Q&A — ESR Energy
Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор. Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.
Мнение эксперта
It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике
Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»
Схема Подключения Диодного. Современные устройства такого типа сравнительно недороги, компактны, их легко подключить и обслуживания в процессе эксплуатации они не требуют. Спрашивайте, я на связи!
Нулевая схема выпрямления
Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.
Нулевая схема выглядит так:
Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.
Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.
Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.
Читать также: Делительное устройство для токарного станка
Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:
И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id, будет повторять кривую напряжения.
Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.
Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:
Работа диодного моста
Принцип работы диодного моста заключается в следующем. На его вход, обозначенный переменным значком, производится подача переменного тока с изменяющейся полярностью. Частота изменений, как правило, совпадает с частотой в электрической сети. На выходе, где расположены положительный и отрицательный выводы, получается ток исключительно с одной полярностью.
В городских условиях напряжение в сети, как правило, держится, но актуальной становится защита квартиры от перепадов напряжения. Вот тут пора вспомнить о чудесах электроники, поскольку «железно – проволочная» электротехника эффективных, простых и дешевых способов их сглаживания не знает.
Поспрашивайте в электро- и радиомагазинах автомат защиты от перепадов напряжения; их еще называют «барьер защитный». Как примерно такой выглядит, видно на иллюстрации. Современные устройства такого типа сравнительно недороги, компактны, их легко подключить и обслуживания в процессе эксплуатации они не требуют.
Какое освещение Вы предпочитаете
ВстроенноеЛюстра
Но не вспоминайте об автотрансформаторе на даче – защитный барьер лишь устраняет броски напряжения; все время держать напряжение в розетке при стабильно пониженном он не может. В качестве накопителей энергии в таких устройствах используются суперконденсаторы, а они хоть и «супер», но все же не электрогенераторы.
Получить из переменного напряжения постоянное это значит выпрямить.
Для выпрямления надо сделать так, чтобы ток мог проходить только в одном направлении.
Элемент, который пропускает ток только в одном направлении, называется диод.
На схемах диод обозначается так
Если для выпрямления использовать один диод, то напряжение на нагрузке получится пульсирующим.
Тем не менее, такое напряжение уже можно использовать для питания некоторых маломощных приборов постоянного тока. В этом пульсирующем напряжении есть постоянная составляющая.
Если переменное напряжение будет, например, 10 Вольт, то постоянная составляющая выпрямленного напряжения будет 4,5 Вольта.
Мало, для каких-то случаев нормально, но в нашем случае мало.
Мнение эксперта
It-Technology, Cпециалист по электроэнергетике и электронике
Задавайте вопросы «Специалисту по модернизации систем энергогенерации»
Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений звезда или треугольник вторичных обмоток трансформатора. Спрашивайте, я на связи!
Выпрямительный мост или схема Гретца
Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):
В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:
Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.
Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).
Основные соотношения для выпрямителя
Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.
Среднее значение выпрямленного напряжения
Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку Ud считаем заданным, то
Амплитудное значение вторичного напряжения
Из предыдущего выражения имеем:
Коэффициент трансформации трансформатора
Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:
Действующее значение тока вторичной обмотки
Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть
Действующее значение тока первичной обмотки
Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :
Мощность трансформатора
Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:
Пульсация выпрямленного напряжения
Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:
Где: l – полупериод π/m;
Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:
Заменив получим:
Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:
Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.
Средний ток диодов
Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iв = Id/2
Наибольшее обратное напряжение на диоде
В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:
Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники.
В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них. Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств.
4.10. Выпрямление переменного тока и напряжения
Рассмотрим работу нескольких простейших выпрямителей
Работа однополупериодного выпрямителя на r-нагрузку
Пусть дана схема (рис. 4.47), вольтамперная характеристика диода (рис. 4.48) и напряжение источника u(t) = Um sint. Поставим задачу: определить ток в цепи и напряжение на нагрузке. Используем графический метод для расчета тока.
Графические построения просты и понятны (рис. 4.48). При синусоидальном напряжении источника ток в цепи несинусоидален. Видно, что ток однополярен. Если этот ток умножить на сопротивление (r), то получим напряжение на нагрузке. Если пренебречь заштрихованной площадкой то в интервале (p – 2p) ток будет равен нулю (рис. 4.49).
Определим среднее значение выпрямленного тока:
.
Для сравнения, среднее значение синусоидального тока равно:
.
Действующее значение выпрямленного тока равно:
.
Видно, действующее значение выпрямленного тока в раз меньше, чем переменного тока.
С принятыми допущениями КПД этого выпрямителя равен:
,
где
.
Тогда окончательно:
Работа однополупериодного выпрямителя на rL-нагрузку
Введем в цепь индуктивность (рис. 4.50) и решим ту же задачу.
Дано: u = Um sinwt, L, r, BAX. Определим ток i., и напряжение ur.
Применим метод кусочно-линейной аппроксимации. Расчет начнем с момента времени t = 0. В этот момент диод открывается и его сопротивление становится равным нулю.
Задача решается так же, как и при расчете переходного процесса.
Решение здесь приводить не будем, дадим только конечное выражение для тока:
.
Первое слагаемое в этом выражении – свободная составляющая, а второе слагаемое – принужденная составляющая, которая считается по схеме замещения (рис. 4.51) комплексно-символическим методом. Постоянную интегрирования А найдем из начальных условий:
.
Откуда:
.
Выражение для тока примет вид:
,
где p = -r/L.
Построим этот ток (рис. 4.52, штриховая линия). Решение для тока справедливо пока ток больше нуля i(t) > 0. При возрастании индуктивности (рис. 4.53) ампер-секундная площадка не изменяется, а только деформируется.
Использование L-элемента в однополупериодном выпрямителе для улучшения качества выпрямленного тока позволяет уменьшить коэффициент амплитуды Ка, но не обеспечивает идеальное выпрямление переменного тока.
Работа однополупериодного выпрямителя на rC-нагрузку
Введем в схему однополупериодного выпрямителя емкость С, включенную параллельно нагрузке (рис. 4.54). Расчет также начнем с момента отпирания диода. Применим метод кусочно-линейной аппроксимации.
Пусть в некоторый момент времени t1 рабочая точка на характеристике диода переходит в первый квадрант, выполняется условие: ja>jк.
Сопротивление диода становится равным нулю: .
Напряжение источника становится равным напряжению на конденсаторе и на нагрузке:
.
Ток равен:
В цепях с конденсатором при первом включении на напряжение наблюдается некорректная коммутация, которая сопровождается скачками тока больших величин. Если С > 1000 мкФ выпрямитель необходимо защищать от этих скачков.
В момент времени, когда входное напряжение достигает максимальной величины:
,
потенциал катода становится больше потенциала анода: jк > jа. При этом ключ (диод) размыкается. Разряд конденсатора можно описать уравнением (рис. 4.55):
.
заряд будет продолжаться до тех пор, пока напряжение на конденсаторе будет больше входного напряжения: uc(t) > u(t). Влияние величины емкости на скорость разряда конденсатора показано на (рис. 4.56). Использование ёмкостного элемента, включенного к нагрузке однополупериодного выпрямителя, позволяет обеспечить сглаживание выпрямленного напряжения и выполнить поставленную задачу в определенном диапазоне нагрузок.
Схемы однофазных выпрямителей
Рассмотрим наиболее распространенные схемы однофазных выпрямителей.
1.
Двухполупериодный выпрямитель (рис. 4.57).
Дано: напряжение , сопротивление Rн, диоды 1, 2, 3, 4 и их вольтамперные характеристики.
Требуется определить Uн и iн.
Проанализируем цепь методом кусочно-линейной аппроксимации. Расчет начнем с момента времени t = 0.
Приверхний зажим становится положительным. Образуется контур протекания тока. Отпираются диоды 1 и 2. Напряжение на нагрузке равно:
При входное напряжение становится меньше нуля: .Диоды 1 и 2 запираются, а 3 и 4 отпираются. Напряжение на нагрузке становится равным:
.
В дальнейшем процессы повторяются. Временные диаграммы приведены на (рис. 4.58).
Проанализируем воздействие С – элементов на кривые выходного напряжения (рис. 4.59). При двухполупериодном выпрямлении качество выпрямленного напряжения можно обеспечить меньшими значениями реактивных элементов. Главным недостатком этого выпрямителя является то, что уровень выпрямленного напряжения зависит от входного напряжения.
2.
Этого недостатка нет в схеме (рис. 4.60), так как с помощью трансформатора можно получить любое напряжение на вторичной обмотке изменением коэффициента трансформации.
Коэффициент трансформации равен:
.
Выбирая КТ, можно сформировать любое U2:
Процессы в схеме (рис. 4.60) полностью аналогичны предыдущей (рис. 4.57), там, где были включенными диоды 1 и 2, здесь будет включен диод 1.
С помощью трансформаторного элемента входная цепь с напряжением U1 гальванически развязывается с выходной цепью с напряжением Uн.
Если какую-то точку выходной цепи соединить с землей, то тогда электромагнитный импульс, поступивший во входную цепь, не приведет к перераспределению потенциалов в выходной цепи. Электромагнитным импульсом может быть грозовой разряд, сварочная дуга, внезапные короткие замыкания в цепи или обрывы.
Электромагнитный импульс распространяется без проводов и наводится в электрическую цепь благодаря реактивным элементам.
Схемы трехфазных выпрямителей
Рассмотрим однополупериодный трехфазный выпрямитель (рис. 4.61). Исходная информация для расчетов задается аналогично.
Дано: входное фазное напряжение , сопротивление нагрузки Rн, диоды 1, 2, 3 и их ВАХ.
Определить напряжение нагрузки uн.
Расчет этого выпрямителя начнем с момента времени . С этого момента при напряжение больше всех остальных напряжений, поэтому напряжение нагрузки равно:
.
С момента времени напряжение больше всех остальных. Поэтому напряжение нагрузки равно:
.
Дальнейшие расчеты понятны, а временная диаграмма показана на (рис. 4.62). Кривая выходного напряжения однополярна, она колеблется от амплитудного значения до его половины. Этим напряжением уже можно питать такие нагрузки, как двигатель постоянного тока, у которого наблюдается малая зависимость скорости вращения от коэффициента пульсаций.
Рассмотрим трехфазный двухполупериодный выпрямитель (рис. 4.63, схема Ларионова).
Схема (рис. 4.63) работает аналогично предыдущей (рис. 4.61).
В интервале точек 1 – 2 (рис. 4.64) кривая напряжения uc инвертируется. Поэтому выходное напряжение uн имеет еще меньший коэффициент пульсаций по сравнению со схемой (см. рис. 4.62).
Для большинства общетехнических установок эта кривая удовлетворяет стандартам и не требует дополнительной фильтрации.
Качественные показатели выходного напряжения выпрямителей
Главным показателем качества выходного напряжения является коэффициент пульсаций, который равен отношению разности максимального и минимального значений выходного напряжения к его номинальному значению:
.
Следующим показателем является коэффициент искажения, который равен отношению действующего значения напряжения первой гармоники к действующему значению напряжения:
.
Коэффициент гармоник оценивает содержание высших гармоник в напряжении и равен отношению всех высших гармоник к основной гармонике:
Коэффициент полезного действия:
.
Коэффициент мощности:
Мощность искажения:
.
Однополупериодный преобразователь
Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.
Читать также: Регулировка подачи масла на бензопиле штиль
Схема: простейший преобразователь
Обозначения:
- Tr – трансформатор;
- DV- вентиль (диод);
- Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
- Rn – подключенная нагрузка.
Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.
Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un
Пояснение:
- в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
- U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
- Un – осциллограмма на нагрузке.
Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.
Недостатки такой схемы очевидны – это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.
Принцип действия двухполупериодной схемы
Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.
Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом
Используемые элементы:
- Tr – трансформатор, у которого имеются две одинаковые вторичные обмотки (или одна с отводом по середине);
- DV1 и DV2 – вентили (диоды);
- Cf – емкостной фильтр;
- Rn – сопротивление нагрузки.
Приведем сразу для наглядности осциллограмму в контрольных точках.
Диаграмма прибора балансного типа
- U1 – осциллограмма на входе;
- U2 – график перед емкостным фильтром;
- Un – диаграмма на выходе устройства.
Данная схема – это два совмещенных однополупериодных преобразователя, то есть на два раздельных источника приходится одна общая нагрузка. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Из него видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.
Осциллограмма наглядно демонстрирует преимущества такого устройства, а именно, следующие факты:
- частота пульсаций на выходе устройства удваивается;
- уменьшение «провалов» между импульсами допускает использование меньшей фильтрующей емкости;
- двухтактный преобразователь обладает большим КПД, чем однополупериодный.
Теперь рассмотрим мостовой тип, он изображен на рисунке ниже.
Схема: Пример использования диодного моста
Осциллограмма устройства мостового типа практически не отличается от балансного, поэтому приводить ее нет смысла. Основное преимущество такой схемы – нет необходимости использовать более сложный трансформатор.
Видео: Двухполупериодный выпрямительный мост
Преобразователи, где используется полупроводниковый диодный мост, широко применяются как в электротехнике (например, в аппаратах для сварки, где номинальный ток может доходить до 500 ампер), так и радиоэлектронике, в качестве источника для слаботочных цепей.
Заметим, что помимо полупроводниковых можно использовать и вакуумные диоды – кенотроны (ниже показан пример схемы такого устройства).
Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П
Собственно, представленная схема – это классическая реализация балансного преобразователя двухполупериодного типа. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не применяются, их заменили полупроводниковые аналоги.
БЕЗ ВЫПРЯМИТЕЛЯ КАК БЕЗ РУК
Л, 1995, №2
Для начала ответьте на простои вопрос: «Какое напряжение в сети?» Наверняка большинство скажут; «220 вольт». Иные ещё добавят: «Переменное, 50 герц». Всё это, конечно, верно. Напряжение (эффективное) в большинстве осветительных сетей составляет 220 В, и оно переменное, синусоидальной формы, а частота синусоидальных колебаний составляет 50 Гц, что соответствует периоду повторения 20 миллисекунд.
Рисунок 1.
Но немногие знают, что амплитудное значение напряжения в сети составляет примерно 310 В, а разница (размах) между максимальным и минимальным значениями — целых 620 В (рисунок 1а). Подсчитать амплитудное значение несложно — нужно эффективное напряжение умножить на √2. Что это даёт? Таким образом можно подсчитать, какое постоянное напряжение получится из переменного, если его выпрямить.
Делают это с помощью полупроводниковых диодов (рисунок 2а). Диод (он обозначен символом VD1) имеет два электрода — катод (к) и анод (а). Ток через диод может проходить только в направлении от анода к катоду (по «стрелке» его графического изображения). Б обратную сторону ток через диод (особенно если он кремниевый) почти не течёт — говорят, что тогда диод «закрыт».
Рисунок 2.
Чтобы выпрямление было наиболее совершенным — двухполупериодным, четыре (VD1 — VD4) диода объединяют в так называемую мостовую схему (рисунок 2б). Но есть и готовые диодные мосты — на рисунке 2в приведён один из них — VD1.
Работает мостовой двухпопупериодный выпрямитель так.
Представим себе обычную лампу накаливания HL1 на напряжение 220 В, Тогда по схеме на рисунке 3а она будет светить примерно так же, как если бы диодов VD1 — VD4 не было вовсе. Ведь когда в сети в течение 10 мс действует полярность напряжения, показанная на рисунке 3б, ток будет течь через диод VD1, лампу HL1 и диод VD4. Когда же в течение других 10 мс полярность напряжения в сети изменится на противоположную (рисунок 3в), ток потечёт через VD3, пампу HL1 и диод VD2. Иными словами, теперь ток через лампу HL1 все время идёт в одном и том же направлении, а не в разных, как рис. 1 в сети переменного тона. Но для лампы накаливания это как бы безразлично — её нить нагревается одинаково, в какую бы сторону ни шёл ток. Нагрев будет тем же самым, приложим мы к лампе напряжение по графику рисунка 1а (переменное напряжение с частотой 50 Гц) либо по графику на рисунке 1б (пульсирующее напряжение с частотой 100 Гц).
Рисунок 3.
Если же теперь параллельно лампе подключить оксидный (электролитический) конденсатор С1 (на рисунке 3г), лампа HL1 вспыхнет значительно ярче. Ведь запаса электроэнергии в конденсаторе С1 почти хватает для того, чтобы компенсировать снижение напряжения в «антрактах» между отдельными пульсациями . Следовательно, напряжение на конденсаторе С1 будет близко к амплитудному значению 310 В (рисунок 1в). В ходе такого эксперимента наша лампочка вполне может попросту перегореть!
Будем считать, что наш эксперимент чисто умозрительный — вряд ли вам потребуется такое высокое напряжение (310 В!), которое между тем, было популярно в ламповой технике. Теперь транзисторная и микросхемная техника имеет дело с напряжениями меньше в 10…50 раз. Да это и хорошо — такой уровень уже вполне безопасен.
Уменьшим напряжение обычным способом — с помощью понижающего трансформатора Т1 (рисунок 4). Он может быть накальным от старого лампового телевизора. Если на первичную обмотку I подать 220 В, то на вторичной обмотке II напряжение будет примерно до 7,5 В. Мы уже знаем, что это эффективное значение напряжения. Значит, амплитудное значение должно получиться вроде бы в 1,41 раза больше, и будет составлять примерно 10,5 В. Но на конденсаторе С1 на самом деле будет несколько меньше, а именно — около 9 В. Дело в том, что до сих пор мы условно не учитывали падение напряжения на двух «открытых» диодах. А оно составляет ни много ни мало — приблизительно 1,4 В (для кремниевых диодов). Следовательно, реально мы получим постоянное напряжение около 9 В. И наш сетевой выпрямитель сможет выполнять роль батарей «Крона», «Корунд», «Ореол-1» или аккумуляторной батареи 7Д-0, 115-У1.1. От такого выпрямителя вполне можно питать небольшой приёмник, маленький плейер…
Рисунок 4.
Для подключения к сети в выпрямителе используется обычная вилка ХР1 (рисунок 4), Аппаратуру к нему подсоединяют с помощью розетки XS1, которую берут от старой батареи «Крона». Оксидный конденсатор С1 может быть любого типа: чем его ёмкость больше — тем лучше, меньше будут пульсации выпрямленного напряжения. Диодный мост VD1 берут с любым буквенным индексом из диодных сборок серий КЦ405, КЦ402. Если готовой сборки нет, её заменяют мостом, собранным из четырёх диодов. Наиболее подходящие диоды для такой замены — серий КД105 или КД208, КД209. Но можно применить и современную серию КД226 либо использовать популярные в прошлом диоды серии Д226. Если же вы возьмёте не кремниевые, а германиевые диоды, то выпрямленное напряжение повысится почти до 10 В, что, впрочем, вполне допустимо для аппаратуры. Полученная «добавка» объясняется тем, что у германиевых диодов прямое падение напряжения меньше (около 0,4 В для каждого диода), чем у кремниевых (порядка 0,7 В). Такие диоды, вполне возможно, «завалялись» у заядлых радиолюбителей, и они поделятся ими. Очень хорошо будут работать старые диоды серии Д7 (например, Д7Ж, Д7Е). Но годятся и более древние — ДГЦ-24, ДГЦ-25, ДГЦ-26, ДГЦ-27.
Не забудьте перед сборкой проверить диоды на исправность, это особенно важно, если вам они достались случайно. Проверять их можно по-разному, но лучше всего это сделать омметром. В одном направлении диод (в особенности если он германиевый) будет иметь очень маленькое сопротивление, а в другом — напротив, очень большое (если он кремниевый).
В.ВАСИЛЬЕВ
Как организовать двухполярное питание
Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.
Схема: пример преобразователя с двухполярным выходом
Как реализовать удвоение напряжения
Ниже представлена схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение, вдвое выше исходного.
Схема с удвоением напряжения
Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а поскольку они расположены последовательно, то, по итогу, на «Rn» суммарное напряжение будет вдвое выше, чем на входе.
В преобразователе с таким умножителем можно применять трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.
Использование операционных усилителей
Как известно, у диодов вольтамперная характеристика нелинейная, создавая однофазный прецизионный (высокоточный) выпрямитель двухполупериодного типа на микросхеме ОУ, можно существенно снизить погрешность. Помимо этого, имеется возможность создать преобразователь, позволяющий стабилизировать ток на нагрузке. Пример схемы такого устройства показан ниже.
Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе
На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем ОУ – это управляемый по напряжению источник. Такая реализация позволяет добиться, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потери напряжения на нагрузке Rн и диодном мосту D1-D4.
Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно незначительно усложнить, добавив в нее стабилитрон. Он подключается параллельно сглаживающей емкости.
Осциллограмма постоянного напряжения
Давайте для начала уточним, что мы подразумеваем под «постоянным напряжением». Как гласит нам Википедия, постоянное напряжение (он же и постоянный ток) — это такой ток, параметры, свойства и направление которого не изменяются со временем. Постоянный ток течет только в одном направлении и для него частота равна нулю.
Осциллограмму постоянного тока мы с вами рассматривали в статье Осциллограф. Основы эксплуатации:
Как вы помните, по горизонтали на графике у нас время (ось Х), а по вертикали напряжение (ось Y).
Для того, чтобы преобразовать переменное однофазное напряжение одного значения в однофазное переменное напряжение меньшего (можно и большего) значения, мы используем простой однофазный трансформатор. А для того, чтобы преобразовать в постоянное пульсирующее напряжение, мы с вами после трансформатора подключали Диодный мост. На выходе получали постоянное пульсирующее напряжение. Но с таким напряжением, как говорится, погоду не сделаешь.
Но как же нам из пульсирующего постоянного напряжения
получить самое что ни на есть настоящее постоянное напряжение?
Для этого нам нужен всего один радиокомпонент: конденсатор. А вот так он должен подключаться к диодному мосту:
В этой схеме используется важное свойство конденсатора: заряжаться и разряжаться. Конденсатор с маленькой емкостью быстро заряжается и быстро разряжается. Поэтому, для того, чтобы получить почти прямую линию на осциллограмме, мы должны вставить конденсатор приличной емкости.
Кратко об управляемых преобразователях
Нередко требуется управлять напряжением на выходе преобразователя, не изменяя входное. Для этой цели наиболее оптимальным будет применение управляемых вентилей, пример такой реализации показан ниже.
Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)
Трехфазный выпрямитель
Мы рассматривали различные реализации однофазных двухполупериодных преобразователей, но подобные устройства используются и для трехфазных источников. Ниже, в качестве примера, показано устройство, созданное по схеме Ларионова.
Пример реализации схемы Ларионова Осциллограмма на выходе схемы Ларионова
Как показывает расположенный выше график, реализация мостовой схемы между парами фаз позволяет получить на выходе незначительные пульсации. Благодаря этому фильтрующую емкость можно существенно снизить, или вообще обойтись без нее.
Проектирование
Расчет даже простого двухполупериодного преобразователя является непростой задачей. Существенно упростить ее можно используя специальное программное обеспечение. Мы рекомендуем остановить выбор на программе Electronics Workbench, которая позволяет выполнить схематическое моделирование аналоговых и цифровых электрических устройств.
Смоделировав в этой программе двухполупериодный выпрямитель можно получить наглядное представление о принципе его работы. Встроенные формулы позволяют рассчитать максимальное обратное напряжение для диодов, оптимальную емкость гасящего конденсатора и т.д.
Классификация по назначению и устройству
Выпрямители переменного тока разделяют на несколько различных видов, в зависимости от характеристик, использования периодов переменного тока, схем, по количеству фаз и типу пропускающего элемента. В общем виде классификация имеет следующий вид:
- По количеству периодов, задействованных в работе (одно,- и двухполупериодные, а также с полным и неполным использованием волны);
- По типажу устройства делят на включающие электронный мост, умножающие напряжение, с наличием или отсутствием трансформаторов;
- По количеству фаз разделяют на однофазные, двух, трех,- и N-фазные;
- Согласно типу устройства, пропускающего синусоиду, делят на полупроводниковые диодные и тиристорные, механические и вакуумные, ртутные;
- По виду пропускаемой волны делят на импульсные, аналоговые и цифровые.
Полезные советы Схемы для подключения Принципы работы устройств Главные понятия Счетчики от Энергомера Меры предосторожности Лампы накаливания Видеоинструкции для мастера Проверка мультиметром
