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.
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.
Мостовой тип устройства
Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением. Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца.
Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В). Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.
Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы. Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки.
Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:
U31 = -U13U23 = -U32U21 = -U12.
Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3). Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В. Популярные модели мостовых выпрямителей представлены в таблице ниже:
Таблица характеристик популярных моделей мостовых выпрямителей.
Схема работы устройства
Мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, соединённых в форме «моста», причём вторичная обмотка трансформатора соединяется через противоположные углы «моста», а сопротивление нагрузки соединяется через другие два угла. Выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя, поскольку через «мост» протекает воздействие всего напряжения вторичной обмотки.
В течение первой половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D1, через сопротивление нагрузки RL, через диод D3, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.
В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.
Свойства трехфазного напряжения
Кривая, действующая только на резистивной нагрузке, неконтролируемое выпрямление (с диодами), не возвращается на ноль, в отличие от моночастотного устройства (мост Грейца). Таким образом, пульсация значительно ниже и размеры индуктора и / или сглаживающего конденсатора менее ограничительны, чем для моста Гейца.
Для получения ненулевого выходного U требуется по меньшей мере две фазы. Минимальное, максимальное и среднее значение напряжения. Численно, для сети 230 В / 400 В выпрямленное напряжение колеблется между минимальным напряжением: 1,5 В мин = 1,5 х (1,414×230) = 488 В, и максимальным: 1,732 Вмакс = 1,732 х (1,414×230) = 563 В.
Будет интересно Что такое коэффициент полезного действия (КПД) и как рассчитать его по формуле
Выходное напряжение трехфазного выходного выпрямителя (зум). 3-фазный полноволновый выпрямитель MDS 130A 400V. 5 терминалов: 3 фазы, + и -. Этот выпрямитель содержит 6 диодов.
Таким образом, можно суммировать следующие моменты:
- 6 диодов, 2 диода на фазу — слабая пульсация по сравнению с одноволновым выпрямителем (мост Гейца);
- среднее значение выпрямленного напряжения: 538 В для сети 230 В / 400 В;
- нейтраль не используется трехфазным выпрямителем.
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
Выпрямительные схемы
Выпрямление электрических колебаний, это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.
Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.
Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны, кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.
Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.
Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рисунке 1.6.
Диод, включенный таким образом, что приводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно
Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .
В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменение направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.
Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).
Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.
Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рисунке 1.7.
В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает.
При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученого на выходе двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.
Технические параметры выпрямителя:
— Коэффициент пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.
— Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме, определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.
— Коэффициент полезного действия, это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.
—
Частотная пульсация выпрямителя, это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.
Схема включения выпрямительного диода
Простейший выпрямитель работает по следующей схеме. На вход подается переменное напряжение сети с положительными и отрицательными полупериодами, окрашенными соответственно в красный и синий цвета. На выходе подключается обычная нагрузка RH, а выпрямляющим элементом будет диод VD.
Когда на анод поступают положительные полупериоды напряжения, происходит открытие диода. В этот период через диод и нагрузку, запитанную от выпрямителя, будет протекать прямой ток диода Iпр. На графике, расположенном справа, эта волна обозначена красным цветом.
При поступлении на анод отрицательных полупериодов напряжения, наступает закрытие диода, и во всей цепи начинается течение незначительного обратного тока. В данном случае отрицательная полуволна переменного тока отсекается диодом. Эту отсеченную полуволну обозначает синяя прерывистая линия. На схеме условное обозначение выпрямительного диода такое же, как обычно, только поверх значка проставляются символы VD.
В результате, через нагрузку, подключенную через диод к сети, будет протекать уже не переменный, а пульсирующий ток одного направления. Фактически, это и есть выпрямленный переменный ток. Однако такое напряжение подходит лишь для нагрузок малой мощности, запитанных от сети переменного тока. Это могут быть лампы накаливания, которым не требуются особые условия питания. В этом случае напряжение будет проходить через лампу лишь во время импульсов – положительных волн. Наблюдается слабое мерцание лампы с частотой 50 Гц.
При подключении питания с таким же напряжением к приемнику или усилителю мощности, в громкоговорителе или колонках, будет слышен гул с низкой тональностью, частотой 50 Гц, известный как фон переменного тока. В этих случаях аппаратура начинает «фонить». Причиной такого состояния считается пульсирующий ток, проходящий через нагрузку и создающий в ней пульсирующее напряжение. Именно оно и создает фон.
Данный недостаток частично устраняется путем параллельного подключения к нагрузке фильтрующего электролитического конденсатора Сф с большой емкостью. В течение положительных полупериодов он заряжается импульсными токами, а во время отрицательных – разряжается с помощью нагрузки RH. Большая емкость конденсатора позволяет поддерживать на нагрузке непрерывный ток в течение всех полупериодов – положительных и отрицательных. На графике такой ток представляет собой сплошную волнистую линию красного цвета.
Тем не менее, данный сглаженный ток все равно не обеспечивает нормальную работу, поскольку половина входного напряжения теряется при выпрямлении, когда задействуется только один полупериод. Этот недостаток компенсируют мощные выпрямительные диоды, собранные вместе в так называемый диодный мост. Данная схема состоит из четырех элементов, что позволяет пропускать ток в течение всех полупериодов. За счет этого преобразование переменного тока в постоянный происходит значительно эффективнее.
Маркировка диодов и схема обозначений
Устройство диода
Параллельное соединение диодов
Схемы выпрямления переменного тока
Диод Шоттки: принцип работы
Схема двухполупериодного выпрямителя
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.
Источник
Электрические параметры
У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:
- Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
- Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
- Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
- Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
- Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
- Рабочая частота, кГц;
- Рабочая температура, С.
Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.
Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде
На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается.
В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом). При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).
В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.
Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн)
. Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.
Силовой выпрямительный диод Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.
Трехфазный выпрямитель
Однополупериодный трехфазный выпрямитель
Рис. 4 — Схема и диаграммы напряжений трехфазного однополупериодного выпрямителя
Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки.
Среднее значение выпрямленного напряжения:
Обратное напряжение:
Коэффициент пульсаций:
Двухполупериодный трехфазный выпрямитель
Рис. 5 — Схема двухполупериодного трехфазного выпрямителя
По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно:
Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за несимметричности фазных питающих напряжений.
Что такое сварочный выпрямитель
Оборудование представляет собой преобразовательный блок с вольтамперной регулировкой. У сварочного выпрямителя на выходе два провода с клеммами: плюс и минус. При подключении одной из них к электроду, а другой к металлу возникает высокотемпературная электрическая дуга, образующая ванну расплава.
Советуем изучить — Основные типы сварочных аппаратов
Сварочные выпрямители разделяют по уровню сложности, дополнительным функциям. Но принцип устройства у всех одинаковый: помимо трансформатора, создающего необходимое напряжение, в схему включают полупроводники, пропускающие только положительную часть синусоиды переменного тока.
