Простой расчет выпрямителя с сетевым трансформатором

Приведено описание упрощенного расчета источника питания на основе сетевого трансформатора и мостового выпрямителя. Простой блок питания состоит из силового трансформатора, выпрямителя и подавляющего пульсации конденсатора.

Схема выпрямителя

Выпрямители бывают разные, но в таких блоках питания чаще всего используются мостовые выпрямители, как в блоке питания, схема которого показана на рисунке 1. Здесь рассматривается упрощенный расчет именно такого блока питания.

Рис. 1. Принципиальная схема блока сетевого понижающего выпрямителя.

Трансформатор

Самой сложной деталью этой схемы является именно силовой трансформатор. Конечно сейчас можно приобрести готовый трансформатор практически под любые ваши «нужды», но это не всегда возможно.

И зачастую трансформатор приходится делать самостоятельно или, что бывает чаще, перематывать готовый, но неисправный (с горелыми обмотками) либо неподходящий трансформатор под необходимые для конкретного случая параметры.

И так, для изготовления силового трансформатора необходим сердечник с каркасом для обмоток и провод для намотки обмоток. Обычно сердечники встречаются двух типов — «Ш»-образные и тороидальные.

Проще всего наматывать «Ш»-образный, такой как показан на рисунке 2, особенно при большом числе витков, так как его обмотки наматываются на каркас как нитки на катушку, а потом сердечник собирается из отдельных «Ш»-образных пластин «в перекрышку». О нем и будем говорить. Для начала необходимо разобраться с требуемыми параметрами трансформатора.

А именно, — входное переменное напряжение (U), выходное переменное напряжение (Uo), мощность, которую нужно получить на выходе (Р).

Рис. 2. Ш-образный сердечник для трансформатора.

Если мы живем в РФ, то входное напряжение U = 220V. Выходное напряжение Uo — такое какое вам нужно. Мощность Р зависит от выходного напряжения и максимально необходимой величины выходного тока (Іо).

Мощность рассчитываем: Р = Uо * Іо (напряжение в V, ток в А, мощность в W).

Таким образом, нам нужны исходные данные, — Uo и Іо. И здесь придется оторваться от расчета трансформатора и начать расчет с выпрямителя, чтобы узнать какие должны быть эти значения. Точный расчет мостового выпрямителя довольно сложен, так как необходимо учитывать множество параметров.

Расчет параметров

Здесь приводится упрощенный расчет, пригодный для радиолюбительской практики.

Сначала определяемся с напряжением. Для вычисления необходимого напряжения на вторичной обмотке трансформатора Uо (рис.3) нужно знать необходимое напряжение на выходе выпрямителя без нагрузки (Uв). Uo = 0,75Uв.

Под нагрузкой выходное напряжение Uв будет снижаться. Практически выходное напряжение на выходе мостового выпрямителя со сглаживающим конденсатором лежит в пределах от Uo/0,75 при работе без нагрузки до Uo-2Uд при максимальной нагрузке (где Uд — прямое напряжение падения на одном диоде выпрямителя при максимальном токе нагрузки).

Для вычисления максимального тока через обмотку Іо нужно знать максимальный ток нагрузки /в. Іо = 1,41/в

Теперь мы знаем необходимые параметры трансформатора по напряжению и току вторичной обмотки. Этого достаточно для подбора или расчета и изготовления трансформатора. Далее переходим к определению необходимых размеров сердечника.

На рисунке 2 показан обычный «Ш»-образный сердечник. Мощность такого сердечника трансформатора зависит от площади поперечного сечения его центральной части (на которую надевается катушка). Площадь определяется:

S = L * Т,

при этом все берется в сантиметрах.

Необходимую площадь S для необходимой мощности можно рассчитать так:

Теперь можно выбрать сердечник, зная какой площади должен быть его средний керн. Найти именно такой как нужно сердечник сложно, поэтому следует руководствоваться принципом, что площадь сечения его среднего керна должна быть не меньше расчетной (конечно, в разумных пределах).

Подобрав сердечник переходим к расчету числа витков на 1V напряжения :

N = 50 / S,

где N — число витков на 1V, a S — площадь в см2 сечения среднего керна того конкретного сердечника, который будете использовать (а не который получился при расчете). На следующем этапе займемся расчетом уже самих обмоток. Число витков первичной (сетевой) обмотки, с учетом того, что в сети номинальное напряжение 220V, рассчитывается так:

N1 = N * 220.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

где D1 диаметр провода в мм, Р — рассчитанная ранее мощность в W, а 220 — это напряжение в электросети. Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра.

Число витков вторичной (выходной) обмотки рассчитывается так:

N2 = N * Uo.

Затем необходимо определить диаметр намоточного провода для первичной обмотки :

Полученный диаметр намоточного провода может быть нестандартным, поэтому округляем в сторону увеличения до ближайшего стандартного диаметра. Все. Можно наматывать трансформатор. Конечно, в идеале все обмотки должны быть намотаны плотно виток в витку.

Но для первичной обмотки, число витков которой может измеряться тысячами, это может быть слишком уж утомительно. Поэтому наматываем внавал, но осторожно, аккуратно, и плотно, как будто бы пытаемся намотать виток к витку, но не получается. Нельзя чтобы провода начала и конца первичной обмотки соприкасались или были слишком близко, — может пробить.

Сильно натягивать провод тоже нельзя, — разрушится тоненькая прозрачная изоляция, которой покрыт намоточный провод. По той же причине нельзя провод скребсти при намотке о края катушки или другие предметы, способные повредить изоляцию.

Сначала на каркас наматывают первичную обмотку. Затем её покрывают слоем изоляции, например, бумаги, но лучше — специальной фторопластовой лентой или стеклолакотканью. Потом на эту изоляцию наматывают вторичную обмотку.

Она содержит всего 106 витков и довольно толстого провода. Так что не ленитесь, — мотайте строго виток к витку. После окончания обмотки можно переходить к сборке сердечника.

Сердечники трансформатора обычно бывают в собранном виде с каркасом, так что предварительно их нужно разбирать, равно как и при перемотке неисправного или неподходящего трансформатора. Запомните как он разбирался и сборку делайте в обратном порядке.

Следует учесть, что все сказанное выше имеет отношение только к силовым трансформаторам, работающим на переменном токе частотой 50 Гц. И так, трансформатор есть, продолжаем рассчитывать выпрямитель. Следующий этап — выбор диодов.

Максимально допустимое обратное напряжение диода должно быть не ниже значения Uд = 1,5Uв.

По максимально допустимому прямому току диоды выбирают так, чтобы значение максимального прямого тока было больше величины Ід = 1,2/в. Теперь переходим к расчету емкости сглаживающего конденсатора С. Ниже приводится расчет при условии что частота переменного напряжения на входе выпрямителя равна 50 Гц.

Емкость сглаживающего конденсатора в мкФ С = (300*lв/q)/Uв. Где q — допустимый коэффициент пульсаций, выражающийся в отношении амплитуды пульсаций к величине выходного постоянного напряжения. Обычно для источников питания бытовой аппаратуры берется q = от 0,1 до 0,01.

Максимально допустимое рабочее напряжение конденсатора должно быть не ниже Uв, но его лучше взять с запасом, так не менее 1,5Uв.

Пример расчета

Теперь можно попробовать рассчитать реальный блок питания.

Исходные данные:

• U = 220V,
• Ue = 15V,
• Ів = 0,5А,
• q=0,01.

1. Находим необходимые параметры трансформатора:

Uo = 0,75Uв = 0,75*15=11,25V

lo= 1,41*Ів= 1.41 * 0,5 = 0,705А (напряжение вторичной обмотки равно 11,5V, а ток не ниже 0,705А)

2. Р = Uo * Іо = 11,5 * 0,705 = 8,1075W. Возьмем мощность с запасом — 9W

3.

4. N = 50/S = 50/3= 16,6667

5. N1 = N * 220 = 16,6667 * 220 = 3666,674 витков, округляем до 3667 витков.

5,

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,13 (0,13 мм).

6. N2 = N * Uo = 16,6667 * 11,5 = 191,667 округляем до 192 витков.

7.

выбираем ближайший стандартный обмоточный провод ПЭВ-0,54 (0,54 мм).

8. Находим параметры диодов:

Uд — 1,5Uв = 1,5*15 =22,5V

Ід= 1,2 * Iв = 1,2* 0,5 = 0,6А (максимальное обратное напряжение не ниже 22,5V, максимальный прямой ток не ниже 0,6А)

9. Находим параметры конденсатора: C=(300*lв/q)/Uв= (300*0,5/0,01)/15 = 1000 мкФ (не ниже 1000 мкФ)

10. Допустимое напряжение конденсатора не ниже 15V.

Иванов А. РК-09-17.

Пример расчета выпрямителя напряжения.

Требуется рассчитать выпрямитель для зарядного устройства по следующим данным: номинальное выпрямленное напряжение

U₀ = 15 В; номинальный выпрямленный ток I₀ = 7 А; допустимый коэффициент пульсаций K_П% = 1,5; напряжение питающей сети U_С = 220 В; частота сети f = 50 Гц. В качестве исходной схемы возьмем мостовую схему, рис. 6.7, выполненную с использованием германиевых диодов..

1. Структурная схема вторичного источника питания приведена на рис. Рядом с ней приведено название и назначение всех составных частей схемы.

2. Выбираем схему выпрямителя согласно номера варианта, приводим ее в отчет и поясняем назначение всех элементов схемы.

Схема выпрямителя напряжения приведена на рис.6.7 . В ней

Тр — трансформатор напряжения, служит для преобразования амплитуды переменного напряжения до необходимой величины;;

диоды VD1-VD4 образуют схему мостового выпрямителя ;

конденсатор С₀ служит сглаживающим фильтром, уменьшая пульсации напряжения на нагрузке;

резистор Rн я является нагрузкой выпрямителя.

3. Выполнить расчет трансформатора (т.е. определить его мощность по вторичной обмотке, коэффициент трансформации, определить его типовую мощность).

3.1. Рассчитаем внутреннее сопротивление диода

где U_пр – прямое падение напряжения на вентиле (0,4 – 0,5 В для германиевых диодов и 1,0 – 1,1 В для кремниевых диодов), k_В – коэффициент, учитывающий динамические свойства характеристики диода (2,0 – 2,2 для германиевых диодов и 2,2 – 2,4 для кремниевых диодов), I_ОВ – среднее значение тока вентиля выбирается по табл. 6.3 для соответствующей схемы выпрямления.

3.2. Рассчитаем активное сопротивление обмоток трансформатора.

где k_r – коэффициент, зависящий от схемы выпрямления, определяется по таблице 7; B – магнитная индукция в сердечнике, Т. Величину магнитной индукции В для трансформаторов мощностью до 1000 Вт можно предварительно принимать равной 1,2 – 1,6 Т для сети с частотой тока 50 Гц и 1,0 – 1,3 Т для сети с частотой тока 400 Гц; f – частота переменного тока питающей сети; s – число стержней сердечника трансформатора (s = 1 для броневой, s = 2 для стержневой и s = 3 для трехфазной конфигурации магнитопровода).

3.3.Активное сопротивление фазы выпрямителя

R = R_B + R_ТР = 0,31 + 0,104 = 0,414 Ом.

Определим основной расчетный коэффициент выпрямителя А:

Определим вспомогательные коэффициенты В и D по графикам на рис. 6.11.

Получаем :В = 1,1; D = 2,1.

Определим параметры трансформатора (таблица 6.3)

Действующее напряжение вторичной обмотки

U₂ = B·U₀ = 1,1·15 = 16,5 В.

Действующий ток вторичной обмотки

I₂ = 0,707 DI₀ = 0,707·2,1·7 = 10,39 A.

Коэффициент трансформации k_m = U₁/U₂ . k_m = U₁/U₂=220/16,5=

Рассчитаем действующий ток первичной обмотки

I₁ = 0,707 DI₀/k_m,

I₁ = 0,707·2,1·7·16,5/220 = 0,779 A.

Рассчитаем типовая мощность трансформатора

P_ТИП = 0,707 BDU₀I₀ = 0,707·1,1·2,1·15·7 = 171,48 Вт

Рис. 6.11 — Зависимость параметров В и D от параметра А

Определим вспомогательный коэффициент F по графику на рис. 6.12.

Получим F = 5,5.

Рис. 6.12 — Зависимость параметра F от параметра А

Определим вспомогательный коэффициент H по графику на рис. 6.13.

Получим H = 490.

Рис. 6.13 — Зависимость параметра Н от параметра А при частотах тока сети 50 и 400 гц

4. Выполнить расчет выпрямителя (исходя из выбранного типа выпрямителя и формул для выпрямителей такого типа, заданного типа диодов — определить количество диодов в схеме, выполнить проверку по току и по напряжению).

Определим токи и напряжения на диоде (табл. 6.3)

Обратное напряжение на диоде:

U_обр = 1,41·BU₀ = 1,41·1,1·15 = 23,26 B.

Среднее значение тока диода

I_0В = 0,5I₀ = 0,5·7 = 3,5 A.

Действующее значение тока диода

I_В = 0,5DI₀ = 0,5·2,1·7 = 7,35 A.

Амплитудное значение тока диода

I_В.макс = 0,5FI₀ = 0,5·4·7 = 14 A.

Число диодов 4.

Для данного выпрямителя можно использовать диоды типа Д305, имеющие U_{обр. макс.}= 50 В, I_0В = 10 А (справочные данные). Данные диоды имеют значительный запас по величине наибольшей амплитуды обратного напряжения и наибольшему выпрямленному среднему значению тока.

5. Выполнить расчет сглаживающего фильтра.

5.1. Предварительный расчет выполнить из условия, что в качестве фильтра используется единичный конденсатор. Если емкость получится не более 1 Ф, то этого достаточно и фильтр будет простейшим. При расчете фильтра следует учитывать, что коэффициент сглаживания q= ε_вх/ε_вых, где ε_вх – коэффициент пульсаций на входе фильтра, а ε_вых – коэффициент пульсаций на выходе фильтра перед нагрузкой. При расчетах необходимо, в соответствии со схемой фильтра, использовать следующие формулы : , где m_сх – фазность выпрямителя (=1 для однополупериодного и =2 для двухполупериодного ),R_н – нагрузка блока питания, С – емкость, которую нужно установить после выпрямителя, ω=2πf — угловая частота, ƒ=50Гц-сетевая частота, определить сопротивление нагрузки можно из требуемой от блока питания мощности и параметров напряжения по формуле: .

5.2. Если при расчете окажется , что емкость конденсатора 1Ф и более, то необходимо рассчитать «Г»-образный LC или RC фильтр — тип на усмотрение студента. Нужно использовать формулы или. При этом за емкость фильтра принять половинную емкость из предварительного расчета.

Расчет емкости конденсатора фильтра

.

Выбираем электролитический конденсатор типа с рабочим напряжением 20 В и емкостью 8000 мкФ.

6.4. Биполярные транзисторы

Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, имеющий два p — n перехода, образованных в одном монокристалле полупроводника. В зависимости от чередования p и n областей различают транзисторы с p — n — p и n — p — n структурой, рис.6.14. Средний слой биполярного транзистора называется базой (Б), один крайний слой – коллектором (К), а другой крайний слой – эмиттером (Э). Каждый слой имеет вывод, с помощью которого транзистор включается в электрическую цепь. Транзистор называется биполярным потому, что физические процессы в нем связаны с движением носителей зарядов обоих знаков – свободных дырок и электронов.

Рис. 6.14. Структура и графическое обозначение биполярных транзисторов p — n — p типа (а) и n — p — n типа (б)

Электронно-дырочный переход, образованный эмиттером и базой, называется эмиттерным, коллектором и базой – коллекторным. Эмиттерный переход включается в прямом направлении, коллекторный переход – в обратном направлении. Общая точка эмиттерной и коллекторной цепей соединена с базовым электродом. Такое включение транзистора называется схемой с общей базой, рис.6.15,а. Схемы включения транзистора с общим эмиттером и общим коллектором приведены на рис.6.15, б, в.

Рис. 6.15. Схемы включения транзистора: а – с общей базой, б – с общим эмиттером, в – с общим коллектором

Толщина базы выбирается достаточно малой, чтобы дырки, двигаясь через базу, не успели рекомбинировать с электронами в области базы. Таким образом, основная часть дырок пролетает сквозь базу до коллекторного перехода. Здесь дырки увлекаются электрическим полем коллекторного перехода, включенного в обратном направлении, и создают в цепи коллектора ток, величина которого пропорциональна эмиттерному току I_Э:

I_К ≈ α I_Э.

Коэффициент пропорциональности α называется коэффициентом передачи тока эмиттера. При достаточно тонкой базе, когда потери дырок за счет рекомбинации их в базе малы, коэффициент передачи тока может доходить до 0,99 и более.

Транзистор представляет собой управляемый прибор, его коллекторный ток зависит от тока эмиттера, который в свою очередь можно изменять напряжением эмиттер – база, U_ЭБ. Поскольку напряжение в цепи коллектора, включенного в обратном направлении, значительно больше, чем в цепи эмиттера, включенного в прямом направлении, а токи в этих цепях практически равны, мощность, создаваемая переменной составляющей коллекторного тока в нагрузке, включенной в цепи коллектора, может быть значительно больше мощности, затрачиваемой на управление тока в цепи эмиттера, т. е. транзистор обладает усилительным эффектом.

Для усиления электрических сигналов применяются схемы с общим коллектором (ОК) и общим эмиттером (ОЭ). Работу биполярного транзистора по схеме с ОЭ определяют статические входные и выходные характеристики.

Входные характеристики устанавливают зависимость тока базы I_Б от напряжения эмиттер — база U_ЭБ при неизменном напряжении коллектор — эмиттер U_КЭ. Входные (базовые) статические характеристики для схемы ОЭ германиевого транзистора p — n — p типа ГТ320А приведены на рис.6.16.

Так как эмиттерный переход включен в прямом направлении, повышение напряжения на нем приводит к увеличению тока, подобно характеристики полупроводникового диода.

Выходные (коллекторные) статические характеристики устанавливают связь между коллекторным током I_К и напряжением коллектор – эмиттер U_КЭ при постоянном токе базы I_Б. Выходные характеристики транзистора ГТ320А, включенного по схеме ОЭ, приведены на рис.6.17.

В электронных устройствах широко используется схема усилителя с общим эмиттером, представленная на рис.6.18. В качестве усилительного элемента в данном случае используется транзистор ГТ320А. Сопротивление нагрузки усилительного каскада R_К включено в коллекторную цепь транзистора. Входное усиливаемое напряжение U_ВХ подается на базу транзистора. Питание усилителя осуществляется от источника постоянного напряжения Е_К.

Рис. 6.16. Входные статические характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.17. Выходные характеристики транзистора ГТ320А

Рис. 6.18. Схема усилительного каскада с общим эмиттером

Данное уравнение является уравнением прямой, которое наносится

Режимы работы усилительного каскада находятся по уравнению нагрузки, которое определяется следующим образом. Напряжение коллектора U_КЭ = U_ВЫХ при наличии нагрузки R_К в его цепи, как следует из рис. 6.18, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, равно

U_КЭ = Е_К – R_К·I_К.

на семейство выходных (коллекторных) характеристик транзистора. Построение прямой (уравнения нагрузки) проводится путем нахождения двух точек, приравнивая поочередно нулю U_КЭ и I_К в уравнении нагрузки. При U_КЭ = 0 имеем точку 1 линии нагрузки I_К = Е_К /R_К, точку 2 получаем при I_К = 0, U_КЭ = Е_К. Данный режим работы усилительного каскада выбран при R_К = 100 Ом, Е_К = 10 В.

Пересечение линий нагрузки с коллекторными характеристиками определяет режим работы усилительного каскада при различных базовых токах.

6.5. Пример расчет параметров усилительного каскада на транзисторе по схеме с общим эмиттером

Для схемы усилительного каскада с общим эмиттером, представленной на рис. 6.18, определить основные параметры усилителя при следующих значениях номиналов элементов схемы: транзистор ГТ320А, входные и выходные характеристики которого представлены на рис. 6.16, 6.17; резисторы в цепи базы транзистора R₁ = 500 Ом, R₂ = 300 Ом; резистор в коллекторной цепи R_K = 100 Ом; источник питания усилительного каскада E_K = 10 В; амплитуда входного синусоидального сигнала низкой частоты, подлежащего усилению U_m = 0,1 В.

Параметры усилительного каскада, подлежащие определению:

1. Положение рабочей точки на входных и выходных характеристиках транзистора (рис.6.16 и рис.6.17).

2. h – параметры транзистора в районе рабочей точки.

3. Входное сопротивление усилительного каскада, R_ВХ.

4. Выходное сопротивление усилительного каскада, R_ВЫХ.

5. Коэффициент усиления каскада по напряжению, K_U.

6. Величина выходного напряжения усилительного каскада.

Режим покоя усилительного каскада, при котором U_ВХ = 0, определяет положение рабочей точки на семействе выходных характеристик на рис. 6.17. Положение рабочей точки (точка А) определяется значениями сопротивлений базовых резисторов R₁, R₂, коллекторного резистора R_K при заданном значении напряжения питания Е_К. Резисторы R₁, R₂ создают на входе усилительного каскада в режиме покоя эквивалентную ЭДС, равную

Эквивалентное базовое сопротивление каскада равно

По второму закону Кирхгофа для входной цепи в режиме покоя имеем:

E_ЭКВ = I_БR_Б + U_БЭ,

где U_БЭ — напряжение между базой и эмиттером в режиме покоя.

Данное уравнение изображается на входной характеристике транзистора в виде прямой линии (линии нагрузки), построение которой проходит путем нахождения двух характерных точек: в режиме холостого хода, когда I_Б = 0, имеем U_БЭ = E_ЭКВ= 0,56 В; и в режиме короткого замыкания — U_БЭ = 0, имеем I_Б = E_ЭКВ/R_Б = 0,56/283 = 0,00198 А = 1,98 mА. В результате пересечения линии нагрузки с входной характеристикой I_Б = f(U_БЭ), при U_КЭ = — 5 В находим положение точки покоя (рабочей точки) I_Б0 = 0,48 мА, U_БЭ0 = 0,43 В.

Положение рабочей точки на коллекторных характеристиках получается при пересечении линии нагрузки с характеристикой I_K = f(U_КЭ), при I_Б0 = 0,48 mА. Построение данной характеристики проводим приближенно, она лежит между характеристиками при I_Б = 0,4 mА и I_Б = 0,6 mА. Таким образом, в коллекторной цепи рабочая точка будет соответствовать значениям I_K0 = 35 mА и U_КЭ0 = 6,6 В.

При работе транзисторов в качестве усилителей малых электрических сигналов, свойства транзисторов определяются с помощью, так называемых, h – параметров. Всего h – параметров четыре: h₁₁, h₁₂, h₂₁ и h₂₂. Они связывают входные и выходные токи и напряжения транзистора и определяются для схемы ОЭ, рис.6.15, б, по следующим выражениям:

h₁₁ = ∆U_ВХ/∆I_ВХ = ∆U_БЭ/∆I_Б при неизменном напряжении. U_ВЫХ = U_КЭ = const.

Параметр h₁₁ численно равен входному сопротивления схемы ОЭ. Знак ∆ обозначает приращение соответствующей величины тока или напряжения.

h₁₂ = ∆U_ВХ/∆U_ВЫХ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h₁₂ равен коэффициенту обратной связи по напряжению.

h₂₁ = ∆I_ВЫХ/∆I_ВХ = ∆I_К/∆I_Б при U_КЭ = const.

Параметр h₂₁ равен коэффициенту прямой передачи по току.

h₂₂ = ∆I_ВЫХ/ ∆U_ВЫХ = ∆I_К/∆U_КЭ при I_Б = const.

Параметр h₂₂ равен выходной проводимости транзистора.

Значения h – параметров можно найти с помощью входных и выходных характеристик транзистора. Параметры входной цепи h₁₁ и h₁₂ определяют по входным характеристикам транзистора, рис.6.16. Рабочая точка А определяется при пересечении линии нагрузки с входной характеристикой транзистора при U_КЭ = — 5 В. В результате чего имеем U_КЭ0 = 0,43 В, I_Б0 = 0,48 mА. В данной рабочей точке задаем приращение тока базы ∆I_Б при постоянном напряжении коллектора U_КЭ = — 5 В и находим получающееся при этом приращение напряжения базы ∆U_БЭ. Тогда входное сопротивление транзистора равно

h₁₁ = ∆U_БЭ/∆I_Б = 0,1 В/ 0,3 mА = 333 Ом.

Затем при постоянном токе базы I_Б = 0,48 mА задаем приращение напряжения коллектора ∆U_КЭ = 5 В и определяем получающееся при этом приращение напряжения базы ∆U_БЭ= 0,25 В. Тогда коэффициент обратной связи по напряжению равен

h₁₂ = ∆U_БЭ/∆U_КЭ= 0,25 /5 = 0,05.

Параметры h₂₁ и h₂₂ определяют по выходным характеристикам транзистора, рис.6.17. В районе рабочей точки А (I_Б = 0,48 mА, U_КЭ = — 5 В) при постоянном токе базы I_Б = 5 mА задаем приращение коллекторного напряжения ∆U_КЭ = 5 В и находим при этом приращение тока коллектора ∆I_К2 = 5 mА. Тогда выходная проводимость транзистора равна

h₂₂ = ∆I_К2/∆U_КЭ = 5 mА /5 В = 1,0 мСм.

Далее при постоянном напряжении коллектора U_КЭ= 5 В задаем приращение тока базы ∆I_Б = 0,2 mА и определяем получающееся при этом приращение тока коллектора ∆I_К1 = 20 mА. Тогда коэффициент передачи по току равен

h₂₁ = ∆I_К1/∆I_Б = 20 mА / 0,2 mА = 100.

Входное сопротивление усилительного каскада равно:

Выходное сопротивление усилительного каскада равно:

Коэффициент усиления по напряжению

Величина выходного напряжения усилительного каскада

U_ВЫХ = К_UU_ВХ = 27,3·0,1 = 2,73 В.

Контрольные вопросы к зачету (экзамену) по разделу » Основы электроники».

1. Зонная структура собственного полупроводника. Что такое валентная зона? Что такое зона проводимости? Что такое запрещенная зона? Проводимость собственного полупроводника.

2. Зонная структура и проводимость акцепторного полупроводника..

3. Зонная структура и проводимость донорного полупроводника Что такое основные носители? Что такое не основные носители? Механизм генерации неосновных носителей заряда.

4. Технология изготовления p-n — перехода. Образование p-n — перехода. Основные параметры p-n — перехода.

5. P-n- переход в равновесном состоянии. Потенциальный барьер?

Токи через п-р переход?

6. P-n переход смещенный в прямом направлении? Потенциальный барьер? Токи через p-n — переход.

7. . P-n — переход смещенный в обратном направлении? Потенциальный барьер? Токи через п-р переход?

8. Идеальная характеристика p-n — перехода .

9. Диод. Типы диода. Условные обозначения. Рабочая схема диода. Вольт – амперная характеристика диода. Ее отличия от идеальной вольт – амперной характеристики.

10. Лавинный пробой. Механизм развития. Тепловой пробой. Емкости п-р – перехода.

11. Параметры и маркировка диода.

12. Биполярный транзистор .Типы транзистора. Схемы включения .

13. Принцип действия, токи транзистора.

14. Входные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

15. Выходные характеристики транзистора в схеме с ОЭ.

16. Предельно-допустимые параметры транзисторов. Маркировка.

17. Полевые транзисторы. Типы транзисторов . Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка

18. Тиристоры. Типы тиристоров . Устройство принцип действия. Назначение. Вольтамперная характеристика. Параметры. Маркировка.

19. Оптоэлектронные приборы. Фотоприемники.

20. Оптоэлектронные приборы. Светоизлучающие приборы

19. Микросхемы. Классификация , маркировка назначение.

20. Вторичные источники тока. Блок-схема, назначение.

21. Полупроводниковые выпрямители. Электрические схемы и принцип работы выпрямителя. Электрические фильтры.

22. Стабилизаторы напряжения и тока.

23. Тиристорные преобразователи.

24. Классификация и принцип действия усилителей переменного тока.

25. Анализ работы однокаскадного усилителя.

26. Обратные связи. Их влияние на параметры усиления.

27. Многокаскадные усилители.

28. Усилители постоянного тока . Операционный усилитель.

29. Автогенераторы , LC — типа и генераторы RC- типа.

30. Транзисторный ключ.

31. Логические операции и способы их аппаратной реализации.

32. Логические схемы.

33. Микропроцессор.

34. Электрические измерения.

35. Электрические приборы.

89

Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель — Club155.2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \) 

 

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_{н ср}\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_{вх д}\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_{вып}\)). Для рассматриваемой схемы \(K_{вып} = {0,45}\).

Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi U_{н ср}\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

\(U_н = \cfrac{1}{\pi} U_{вх max} + \cfrac{1}{2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} — \cfrac{2}{3 \pi} \cos{\left( 2 \omega t \right)} — \)

\( — \cfrac{2}{15 \pi} U_{вх max} \cos{\left( 4 \omega t \right)} — {…} \)

 

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

\(K_п = \cfrac{U_{пульс max 01}}{U_{н ср}} = \cfrac{\pi}{2} = {1,57}\). 

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

 

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

\(I_1 \cdot w_1 = \left( I_2 – I_{н ср} \right) w_2\) ,

где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

 

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_{н ср} \cfrac{w_2}{w_1}\).

 

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

 

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_{тр P} \approx {0,48}\).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

 

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx {const}\)). Примем: \(U_н = U_{вх max} \cos{\beta}\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_{откр}/2\)). Угол \( \beta\) принято называть углом отсечки.

 

Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

 

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

\( I_д = \cfrac{U_{вх} — U_н}{r} \) , 

где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя).

 

Учитывая, что \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \):

\(I_д = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{\left( \omega t \right)} — \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left(\sin{\left(\varphi \right)} — \cos{\left( \beta \right)} \right)\)   (3.4.1)

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке \(\varphi = \left[\pi/2 – \beta ; \pi/2 + \beta \right]\):

\(I_{д ср} =\cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{\frac{\pi}{2} — \beta}^{\frac{\pi}{2} + \beta} \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{ \left( \varphi \right)} — \cos{\left( \beta \right)} \right) \operatorname{d} \varphi =\)

\(= \cfrac{U_{вх max}}{\pi r} \left( \sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)} \right) \)  

 

Поскольку \(U_{вх max} = \cfrac{U_н}{\cos{\left( \beta \right)}} \):

\(I_{д ср} =\cfrac{U_н}{\pi r} \cdot \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)} } = \cfrac{U_н}{\pi r} A \left( \beta \right) \),

где \( A \left( \beta \right) = \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}} = \operatorname{tg} \left( \beta \right) — \beta \)    (3.4.2)

 

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{д ср} \pi r}{U_н} \)

Средний ток через диод \(I_{д ср}\) равен среднему току нагрузки \(I_{н ср}\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_{д ср}\). Таким образом:

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{н} \pi r}{U_н} = \cfrac{\pi r}{R_н} \)

 

Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при \(U_{вх} = U_{вх max}\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

\( I_{д max} = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( 1 — \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_н}{r} \cdot \cfrac{\pi \left( 1 — \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\cos{\left( \beta \right)}} \)

 

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

\( I_{д max} = \cfrac{I_{д ср} \cdot \pi}{A \left( \beta \right)} \cdot \cfrac{1- \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}}\), где \(F \left( \beta \right) = \cfrac{\pi \cdot \left( 1 — \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}\)

 

График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

 

Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

 

Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

\( С = \cfrac{H(\beta)}{r \cdot K_п}\),

где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

 

Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

 

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

 

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

Работа схемы на рис.{- \cfrac{R_н t}{L}} \sin{( \theta )} \right) \),

где \( \theta = \operatorname{arctg} \left( \cfrac{\omega L}{R_н} \right) \)

 

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_{обр} = U_{вх max}\).

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Полупроводниковые выпрямители блоков питания, схемы, онлайн расчёт

Классификация, свойства, схемы, онлайн калькулятор.
Расчёт ёмкости сглаживающего конденсатора.

«- Почему пульт не работает?
  — Я, конечно, не электрик, но, по-моему, пульт не работает, потому что телевизора нет».

— А для чего нам ещё «нахрен не упал» профессиональный электрик?
— Для чего? Да много для чего! Например, для того, чтобы быть в курсе, что без источника питания, а точнее без преобразователя сетевого переменного напряжения в постоянное, не обходится ни одно электронное устройство.
— А электрик?
— Электрик, электрик… Что электрик?… «Электрик Сидоров упал со столба и вежливо выругался…»

Итак, приступим.
Выпрямитель — это электротехническое устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.
Выпрямитель содержит трансформатор, необходимый для преобразования напряжения сети Uc до величины U2, определяемой требованиями нагрузки;
вентильную группу (в нашем случае диодную), которая обеспечивает одностороннее протекание тока в цепи нагрузки;
фильтр, передающий на выход схемы постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения.

Расчёт трансформатора — штука громоздкая, в рамках этой статьи рассматриваться не будет, поэтому сразу перейдём к основным и наиболее распространённым схемам выпрямителей блоков питания радиоэлектронной аппаратуры.
В процессе повествования давайте сделаем допущение, что под величинами переменных напряжений и токов в цепях выпрямителей мы будем подразумевать их действующие (эффективные) значения:
U_действ = U_ампл/√2 и I_действ = I_ампл/√2.
Именно такие значения приводятся в паспортных характеристиках обмоток трансформаторов, да и большинство измерительных приборов отображают — не что иное, как аккурат эффективные значения сигналов переменного тока.

Однополупериодный выпрямитель.

Рис.1

На Рис.1 приведена однофазная однополупериодная схема выпрямления, а также осциллограммы напряжений в различных точках (чёрным цветом — напряжение на нагрузке при отсутствии сглаживающего конденсатора С1, красным — с конденсатором).
В данном типе выпрямителя напряжение с вторичной обмотки трансформатора поступает в нагрузку через диод только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды полупроводник закрыт, и напряжение в нагрузку подаётся только с заряженного в предыдущий полупериод конденсатора.
Однополупериодная схема выпрямителя применяется крайне редко и только для питания цепей с низким током потребления ввиду высокого уровня пульсаций выпрямленного напряжения, низкого КПД, и неэффективного использования габаритной мощности трансформатора.

Здесь обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную удвоенному значению максимального тока в нагрузке I_обм = 2×I_нагр  и напряжение холостого хода ~U₂ ≈ 0,75×U_н.
При выборе диода D1 для данного типа схем, следует придерживаться следующих его параметров:
U_обр > 3,14×U_н   и   I_макс > 3,14×I_н.

Едем дальше.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.

Рис.2

Схема, приведённая на Рис.2, является объединением двух противофазных однополупериодных выпрямителей, подключённых к общей нагрузке. В одном полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку поступает с верхней половины вторичной обмотки через открытый диод D1, в другом полупериоде — с нижней, через второй открытый диод D2.
Как и любая двухполупериодная, эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньший уровень пульсации по сравнению с однополупериодной схемой. К недостаткам следует отнести более сложную конструкцию трансформатора и такое же, как в однополупериодной схеме — нерациональное использование трансформаторной меди и стали.

Каждая из обмоток трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную значению максимального тока в нагрузке I_обм = I_нагр  и напряжение холостого хода ~U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды D1 и D2 должны обладать следующими параметрами:
U_обр > 3,14×U_н   и   I_макс > 1,57×I_н.

И наконец, классика жанра —
Мостовые схемы двухполупериодных выпрямителей.

Рис.3

На Рис.3 слева изображена схема однополярного двухполупериодного мостового выпрямителя с использованием одной обмотки трансформатора. Графики напряжений на входе и выходе выпрямителя аналогичны осциллограммам, изображённым на Рис.2.
Во время положительного полупериода переменного напряжения ток протекает через цепь, образованную D2 и D3, во время отрицательного — через цепь D1 и D4. В обоих случаях направление тока, протекающего через нагрузку, одинаково.

Если сравнивать данную схему с предыдущей схемой выпрямителя с нулевой точкой, то мостовая имеет более простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций, менее жёсткие требования к обратному напряжению диодов, а главное — более рациональное использование трансформатора и возможность уменьшения его габаритной мощности.
К недостаткам следует отнести необходимость увеличения числа диодов, что приводит к повышенным тепловым потерям за счёт большего падения напряжения в выпрямителе.

Обмотка трансформатора должна обеспечивать величину тока, равную I_обм = 1,41×I_нагр  и напряжение холостого хода ~U₂ ≈ 0,75×U_н.
Полупроводниковые диоды следует выбирать исходя из следующих соображений:
U_обр > 1,57×U_н   и   I_макс > 1,57×I_н.

При наличии у трансформатора двух одинаковых вторичных обмоток, или одной с отводом от середины выводом, однополярная схема преобразуется в схему двуполярного выпрямителя со средней точкой (Рис.3 справа).
Естественным образом, диоды в двуполярном исполнении должны выбираться исходя из двойных значений U_обр и I_макс по отношению к однополярной схеме.

Значения U_обр и I_макс приведены исходя из величин наибольшего (амплитудного) значения обратного напряжения, приложенного к одному диоду, и наибольшего (амплитудного) значения тока через один диод при отсутствии сглаживающих фильтров на выходе.

Конденсатор С1 во всех схемах — это простейший фильтр, выделяющий постоянную составляющую напряжения и сглаживающий пульсации напряжения в нагрузке.
Для выпрямителей, не содержащих стабилизатор, его ёмкость рассчитывается по формулам:
С1 = 6400×I_н/(U_н×К_п) для однополупериодных выпрямителей и
С1 = 3200×I_н/(U_н×К_п) — для двухполупериодных,
где К_п — это коэффициент пульсаций, численно равный отношению амплитудного значения пульсирующего напряжения к его постоянной составляющей.
Для стабилизированных источников питания ёмкость С1 можно уменьшить в 5-10 раз.

«Коэффициент пульсаций выбирают самостоятельно в зависимости от предполагаемой нагрузки, допускающей питание постоянным током вполне определённой «чистоты»:
10^-3… 10^-2   (0,1-1%) — малогабаритные транзисторные радиоприёмники и магнитофоны,
10^-4… 10^-3   (0,01-0,1%) — усилители радио и промежуточной частоты,
10^-5… 10^-4   (0,001-0,01%) — предварительные каскады усилителей звуковой частоты и микрофонных усилителей.» — авторитетно учит нас печатное издание.

Ну и под занавес приведём незамысловатую онлайн таблицу.

КАЛЬКУЛЯТОР РАСЧЁТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ.

А на следующей странице рассмотрим сглаживающие фильтры силовых выпрямителей, не только ёмкостные, но и индуктивные, а также активные фильтры на биполярных транзисторах.

 

Работа выпрямителя на нагрузку | Полупроводниковые выпрямители

Страница 9 из 14

5. РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЯ НА НАГРУЗКУ РАЗЛИЧНОГО ХАРАКТЕРА
Выше была рассмотрена работа различных схем выпрямления с неуправляемыми и управляемыми вентилями на нагрузку с чисто активным сопротивлением. Однако в практике наряду с чисто активной нагрузкой для силовых выпрямителей часто встречается смешанная активно-индуктивная нагрузка и нагрузка на встречную ЭДС. Примерами таких нагрузок являются обмотки возбуждения электрических машин и втягивающие катушки электроаппаратов, а также любые другие электроприемники, питаемые от выпрямителя через фильтр, входным элементом которого служит индуктивная катушка. Случаям нагрузки на встречную ЭДС соответствует работа выпрямителя на якорь двигателя постоянного тока, а также при зарядке от выпрямителя аккумуляторных батарей или питании электролизных ванн.

В большинстве случаев в цепь нагрузки выпрямителей средней и большой мощности входят встречная ЭДС и активное сопротивление (якорь двигателя, сопротивление обмоток силового трансформатора и др.), которые сочетаются с последовательным включением индуктивности, присущей самой нагрузке или дополнительно включаемой для лучшего сглаживания потребляемого тока.
Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку. Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку (рис. 26,а) отличается от работы на чисто активную нагрузку тем, что ток в цепи выпрямления, возникнув в момент открывания вентиля, нарастает медленнее, чем происходит увеличение напряжения Это связано с наличием индуктивности Ld в цепи нагрузки, которая является в электрической цепи инерционным элементом, препятствующим резкому изменению тока id. Когда напряжение вторичной обмотки трансформатора начнет снижаться, ток в нагрузке будет некоторое время продолжать расти и далее постепенно спадать за счет энергии, запасенной в индуктивности (рис. 26,6).
Протекание тока через вентиль будет происходить и в течение некоторой части отрицательного полупериода вторичного напряжения за счет положительной ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld при уменьшении тока нагрузки, которая компенсирует отрицательное напряжение t/2 и падение напряжения Див в цепи выпрямления.

Рис. 26. Однопопупериодное    выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а — схема включения; б    и в — кривые напряжений и токов на элементах  
Общая продолжительность X протекания тока через вентиль VD зависит от значения индуктивности L,j. с увеличением которой возрастает длительность протекания тока id. Среднее значение выпрямленного напряжения на активно-индуктивной нагрузке Ud однополупериодного выпрямителя будет меньше, чем напряжение UdR при активной нагрузке, так как при o>f > it напряжение ud отрицательно (рис. 26,в).
Пульсации тока id в нагрузке не уменьшаются даже при значительном увеличении индуктивности Ld, так как ток /„ всегда меняется от нуля до 1агпах. Вследствие этого в однополупериодных выпрямителях индуктивность не применяется в качестве фильтра (см. § 6).
При двухпопупериодном выпрямлении (рис. 27,а) в отличие от чисто активной нагрузки ток id в цепи Ld, R  становится более сглаженным (рис. 27,6). Действительно, ток /В1 в вентиле VI к концу положительного полупериода под воздействием индуктивности не спадет до нуля, а в момент cot = v ток нагрузки переходит к вентилю V2, так как потенциал анода V2 становится выше потенциала анода VI (см. рис. 16,6).

Рис. 27. Двухпопупериодное выпрямление при активно-индуктивной нагрузке:
а — схема включения; б и в — кривые напряжений и токов в элементах  
Указанный переход тока происходит мгновенно, так как в анодных цепях вентилей V1 и V2 нет индуктивностей. В следующий попупериод, когда и2а будет опять положительно, ток id снова переходит к вентилю VI (рис. 27,в).

 

Выпрямленное напряжение ud на выходе выпрямителя, т.е. напряжение на зажимах всей цепи RL нагрузки, и обратное напряжение на вентиле будут иметь такую же форму, как при работе схемы на активную нагрузку. Это объясняется тем, что переход тока с одного вентиля на другой происходит в та же моменты, что и в случае работы схемы без индуктивности Ld.
Влияние индуктивности в цепи нагрузки сказывается на действующих значениях токов, протекающих в вентилях и обмотках (/в, /2 и /,), а также на типовой мощности трансформатора ST. Количественные соотношения между токами и напряжениями в элементах выпрямителя, а также типовая мощность трансформатора для различных схем выпрямления с неуправляемыми вентилями при Ld — 00 приведены в табл. 1.
Процессы в схеме управляемого выпрямителя при работе его на активно-индуктивную нагрузку отличаются от процессов при работе схемы на активную нагрузку. Пусть однофазная мостовая схема (рис. 28,з) работает с идеально сглаженным током id(Ld — = 00), тогда тиристоры VC1 и VC3, вступив в работу в момент времени 11 (рис. 28,6). не закроются в момент прохождения фазного напряжения и2 через нуль (момент t2 ), как это было при чисто активной нагрузке, а будут проводить ток при отрицательном напряжении вторичной обмотки до тех пор, пока не будут поданы управляющие импульсы на тиристоры VC2, VC4 (момент Г3). Тогда эта пара тиристоров вступит в работу, а тиристоры VC1, VC3 выключаются. Вентили VC3, VC4 будут проводить ток, пока снова не будут поданы управляющие импульсы на вентили VC1, VC3 (момент ts), и т.д.
Длительность протекания тока через каждую пару тиристоров остается равной 180°. При wLd = 00 ток id в цепи нагрузки идеально сглажен, а токи вентилей имеют форму прямоугольных импульсов с амплитудой, равной ld.
В кривой выпрямленного напряжения ud в интервалах времени О — f,, f2 — и т.д. появляются участки отрицательного напряжения, когда ток через тиристор и нагрузку проходит под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в индуктивности Ld.

Рис. 28. Работа управляемого однофазного мостового выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку
Это вызывает снижение среднего значения выпрямленного напряжения Ud. Очевидно, что с ростом угла а площадь отрицательных участков увеличивается, а значение Ud будет уменьшаться. Среднее значение выпрямленного напряжения в этом случае может быть определено для всего диапазона изменения угла а по следующей формуле:
(42)
Выражение (42) справедливо для всех управляемых схем при работе выпрямителя со сглаженным (непрерывным) током. Предельным углом регулирования, при котором в выпрямленном напряжении иу положительные и отрицательные участки равны между собой и постоянная составляющая отсутствует, т.е. Ud = 0, является угол а = я/2.
Регулировочные характеристики однофазных выпрямителей для активно-индуктивной нагрузки зависит от соотношения сoLdlRfj и показаны на рис. 25.
Если отношение   < 5, то энергии, запасенной в индуктивности Lfj на интервале, когда ud > 0, оказывается недостаточно для обеспечения протекания тока id в течение половины периода, и вентиль, проводящий этот ток, выключится раньше, чем будет подан отпирающий импульс на следующий по порядку работы вентиль, т.е. раньше момента, определяемого углом а. Такой режим работы схемы при активно-индуктивной нагрузке называется режимом с прерывистым выпрямленным током (рис. 2В,г).

Среднее значение выпрямленного напряжения в режиме с прерывистым током будет больше, чем в режиме с непрерывным током при одинаковых значениях угла а, благодаря уменьшению отрицательных участков в кривой ud. но меньше, чем при работе управляемого выпрямителя на активную нагрузку, когда отрицательных участков нет. Поэтому в режимах с прерывистым током регулировочные характеристики двухполупериодного выпрямителя будут находиться между кривыми / и 2 в заштрихованной области, указанной на рис. 22.
Очевидно, что чем больше угол а, тем больше должна быть индуктивность Lfj, чтобы обеспечить режим работы схемы с непрерывным током id. При прерывистом токе трансформатор и вентили схемы работают в более тяжелом режиме, так как при одном и том же среднем значении выпрямленного тока, определяемом нагрузкой, действующее значение токов в элементах схемы увеличивается. Поэтому в мощных выпрямителях, работающих с широким диапазоном изменения угла а, индуктивность Ld обычно выбирается из условия обеспечения непрерывности выпрямленного тока при угле регулирования а = атдх.
Работа выпрямителя на нагрузку с противо-ЭДС. Такой вид нагрузки встречается при питании от выпрямителей аккумуляторов, электродвигателей, мощных конденсаторов и др. Особенность работы выпрямителя в этом случае состоит в том, что такого рода потребители имеют собственную ЭДС Еа, которая направлена навстречу напряжению Ufj выпрямителя.
На рис. 29,а представлена схема однофазного двухполупериодного выпрямителя, который нагружен на якорь двигателя постоянного тока с противо-ЭДС Ед. Рассмотрим работу схемы без индуктивности L(ключ К замкнут). Ток через вентили схемы может проходить лишь в те положительные части периодов, когда выпрямленное напряжение ud будет больше Ед. Например, вентиль VI откроется в момент fi и закроется в момент г2 (рис. 29,6), вентиль V2 вступит в работу в следующий полупериод и будет проводить ток в интервале времени        Кривая выпрямленного тока id имеет прерывистый (импульсный) характер, а значение его можно выразить следующей формулой, приняв за начало отсчета максимум выпрямленного напряжения:
(43)
где сопротивление Rj в данном случае равно сумме сопротивлений гдв и Ят.
Очевидно, что интервал проводимости вентилей X будет зависеть от соотношения амплитуды напряжения вторичной обмотки трансформатора U2m = \/2U2 и значения Ед.
С ростом Ед пульсации тока /в вырастают, так как уменьшается длительность X работы вентилей в течение каждого полупериода (рис. 29,г). Это приводит к тому, что при равных средних значениях токов /в ср, протекающих через вентиль, отношения lamaxlld и         возрастают, что свидетельствует об ухудшении использования вентилей по току и увеличении тепловых потерь в обмотках трансформатора с ростом Ед.
Чтобы выпрямленный ток был непрерывным, необходимо включать в цепь нагрузки индуктивность L (ключ К на рис. 29,э разомкнут), которая соответствует неравенству coLd > 5Rd, и среднее значение выпрямленного напряжения Ufj должно быть больше противо-ЭДС Еа.
При выполнении первого условия мгновенное и среднее значения выпрямленного тока совпадают Ud= td), а переменная составляющая выпрямленного напряжения выделяется в виде падения напряжения на дросселе Ld. Если не выполнить второго условия, то ток id станет прерывистым даже при большой индуктивности дросселя Lfj. так как тиристоры будут проводить ток только при условии и2 > Еа. 
Таким образом, при включении в цепь нагрузки индуктивности Ld пульсация выпрямленного тока уменьшается и при          > 5Rd становится равной нулю (вся пульсация напряжения Ud оказывается приложенной к индуктивности Ld). В этом случае среднее значение выпрямленного тока определяется соотношением

Рис. 29. Работа неуправляемого однофазного выпрямителя на противо-ЭДС:
а — схема включения; б-г — кривые напряжений и токов на элементах
 

При известных средних значениях выпрямленного тока и напряжения параметры вентилей /В|Ср. ‘в,д и UDбртах, трансформатора /2, U2, 11 и ST для различных схем выпрямителей, работающих на нагрузку с противо-ЭДС при непрерывном токе, определяются такими же соотношениями, как и в ранее разобранных случаях работы выпрямителей на активно-индуктивную нагрузку (см. табл. 1).
Коммутация тока в силовых схемах выпрямления. При рассмотрении работы маломощных выпрямителей обычно учитывают только активные сопротивления обмоток трансформатора, а индуктивными сопротивлениями, создаваемыми потоками рассеяния в магнитной системе, обычно пренебрегают. Такое допущение давало возможность считать, что выпрямленный ток переходит с одного вентиля на другой мгновенно. Этот процесс переключения вентилей многофазного выпрямителя называется коммутацией тока.
В мощных выпрямителях индуктивности рассеяния обмоток трансформатора оказывают значительное влияние на работу схемы, изменяя значение и форму кривой выпрямленного напряжения, токов вентиля и обмоток трансформатора. Процесс нарастания тока во вступающем в работу и спад тока в выходящем из работы вентилях в этом случае происходит за конечный интервал времени. В то же время влиянием активных сопротивлений обмоток трансформатора и падением напряжения в вентилях нередко можно пренебречь, так как обмотки и их соединения выполняются проводом большого сечения.
В расчетах обычно пользуются суммарной для каждой фазы индуктивностью рассеяния La, приведенной ко вторичной обмотке трансформатора, значение которой определяется по индуктивному сопротивлению обмоток, рассчитываемому по формуле
(45)
где ик — напряжение КЗ трансформатора, %; Ux ном, /щом — номинальные значения напряжения, В, и тока фазы.2ном _ коэффициент трансформации трансформатора.
Рассмотрим процесс коммутации и его влияние на работу выпрямителя на примере трехфазной схемы с нулевым выводом. Нагрузка принимается активно-индуктивная (рис. 30,а). Приведенные индуктивности Lal, i/,2 и Lc3 обмоток трансформатора включены в анодные цепи тиристоров VC1 — VC3, а в цепи нагрузки имеется значительная индуктивность L и выпрямленный ток id можно считать идеально сглаженным.

Рис. 30. Работа трехфазного управляемого выпрямителя с учетом коммутации тока в вентилях:
а — схема включения элементов; б и в — временные диаграммы напряжений и токов
Наличие в фазах вторичной обмотки трансформатора индуктивности La приводит к тому, что переход гока ld от одного вентиля к другому происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, который называется углом коммутации и обозначается буквой у.

Таким образом, коммутация тока вентилей уменьшает выпрямленное напряжение, увеличивает его пульсацию и время работы вентиля (фазы). Увеличение длительности работы фазы несколько уменьшает действующее значение тока фазы и вентиля, поэтому при расчете токов в элементах выпрямителя (напри мер, /в, /2, li) перекрытие фаз можно не учитывать и пользоваться соотношениями табл. 1.
Инвертирование тока. Инвертированием называется процесс преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, т.е. процесс, обратный выпрямлению. При выпрямлении тока электрическая энергия передается из сети переменного тока к потребителю постоянного тока, а при инвертировании поток энергии направлен от источника постоянного тока в сеть переменного тока.
Инвертирование тока применяется для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока в линиях электропередачи постоянного тока, рекуперативного торможения двигателей постоянного тока, питаемых от управляемых выпрямителей, преобразования промышленной частоты и в других случаях.
Выходным звеном инвертора, работающего на сеть переменного тока, является трансформатор, параметры которого (число витков и количество обмоток) определяют значение и число фаз получаемого переменного напряжения (тока). Для получения переменного тока в обмотках трансформатора, подключенного к источнику постоянного тока, необходимо обеспечить периодический переход тока из одной обмотки в другую. Это достигается путем прерывания постоянного тока и распределения его по фазам трансформатора с помощью управляемых вентилей.
Изменение направления потока энергии требует изменения знака мощности Pd = Udld, развиваемой выпрямителем, что может быть достигнуто путем изменения направления тока /4 или напряжения Ud. Но выпрямленный ток не может изменить своего направления относительно зажимов выпрямителя вследствие односторонней проводимости тиристоров, поэтому изменение знака мощности можно осуществить только за счет изменения знака среднего значения выпрямленного напряжения, что достигается в управляемом выпрямителе увеличением угла управления а > 90°.
Переход от выпрямительного режима к инверторному рассмотрим на примере управляемого выпрямителя, собранного по двух полупериодной схеме на тиристорах VC1, VC2 (рис.0 cos а, > Еа. Схема работает выпрямителем на батарею, ЭДС Еа которой играет роль противодействующего напряжения, так как направлена против проводимости тиристоров, т.е. имеет отрицательный знак (— Ед) и для удобства графического сравнения с выпрямленным напряжением UdB на рис. 31,6 отложена над осью абсцисс. В этом случае имеет место процесс выпрямления, т.е. передачи мощности от сети переменного тока в аккумуляторную батарею, так как когда и2 > 0 и угол Oj = 60°, напряжение UdB превышает противо-ЭДС Еа.

Рис. 31. Работа однофазного управляемого преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах:
а — схема включения элементов; 6—д — временные диаграммы, иллюстрирующие переход от выпрямления тока к инвертированию
коммутации у на угол 5 не меньше, чем это необходимо для полного восстановления закрытого состояния тиристора. Следовательно, для надежной работы тиристорного преобразователя в инверторном режиме требуется соблюдать условие /3тт > >1+8.

Рис. 32. Трехфазный реверсивный преобразователь, работающий на двигатель постоянного тока:
а — схеме включения элементов; б—д — кривые напряжений при выпрямлении и инвертировании тока

Таким образом, для перевода схемы из режима выпрямления в режим инвертирования необходимо: 1) подключить источник постоянного тока с полярностью, обратной режиму выпрямления; 2) обеспечить протекание тока через тиристоры преимущественно при отрицательной полярности вторичных напряжений и2, проводя их открывание с углом опережения —0.

Однополупериодный выпрямитель Принцип работы выпрямителя кратко Электроника,…

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про однополупериодный выпрямитель, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое однополупериодный выпрямитель , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Считается, что трансформатор и выпрямительный диод — идеальны, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, у диода Rпр = 0 и Rобр = ∞.

Рис.2 Схема однополупериодного выпрямителя

Принцип работы выпрямителя

Рассмотрим временные диаграммы однополупериодного выпрямителя (рис.3) в интервале времени 0 — T/2 диод VD1 открыт φА > φВ, в нагрузке течет ток iн .
В интервале времени T/2 — T диод закрыт φА < φВ, к диоду приложено U2m.

Рис.3 . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя
Ток и напряжение в нагрузке имеют пульсирующий характер и как следствие значительно отличаются от постоянных составляющих

Основные электрические параметры выпрямителя

Диод в выпрямителях является основным элементом и во многом определяет основные показатели выпрямителей.
1. Uнср и Iнср – средние значения выпрямленных напряжения и тока в нагрузочном устройстве
2. Мощность нагрузочного устройства Pнср = Uнср•Iнср
3. Амплитуда основной гармоники Uоснг
4. Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения

5. КПД выпрямителя
6. Обратное максимально напряжение на запертом диоде Uобрmax
Определим среднее значение выпрямленного напряжения и тока в нагрузке.
В однополупериодном выпрямителе теряется больше половины входного напряжения!

Входное напряжение (напряжение на вторичной обмотке трансформатора):

Среднее значение выпрямленного тока, средневыпрямленный ток равен току через диод:

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сетевого напряжения:
fп = fосн
Выпрямленное напряжение имеет несинусоидальную форму сигнала, поэтому может быть разложено в ряд Фурье:

Так как частота пульсаций выпрямленного напряжения равна частоте сети, то при расчете коэффициента пульсаций берут напряжение основной первой гармоники:

р = 1,57 — очень большой коэффициент пульсаций – это является недостатком схемы.
Обратное максимальное напряжение на запертом диоде равно амплитуде входного напряжения:

При выборе выпрямительных диодов используются максимально допустимые параметры: ток прямой максимально допустимый и напряжение обратное максимально допустимое: Iпрmax, Uобрmax.
Диод в выпрямителях является основным элементом, и его параметры во многом определяют основные параметры выпрямителей

См. также

А как ты думаешь, при улучшении однополупериодный выпрямитель, будет лучше нам? Надеюсь, что теперь ты понял что такое однополупериодный выпрямитель и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то нестесняся пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база

Выпрямители. Назначение, классификация, основные схемы и расчет. Однополупериодный выпрямитель, принцип его работы и схема

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.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

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.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

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.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост . Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — V F ). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V F , т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

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:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

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.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

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

Выпрямители относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока.
Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее так как назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные . К тому же они разделяются на однофазные и многофазные .

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения

Действующее значение входного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора

Коэффициент пульсаций

К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.

В бытовой технике однолупериодные выпрямители применяются в основном в импульсных источниках питания: из-за большой рабочей частоты (около 15 кГц а иногда и выше) пульсации не столь чувствительны и их легче сгладить.

Двухполупериодный выпрямитель

Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора

Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

U ср = 0.9U вх
U вх = 1.11U ср
I ср = 0.9U вх /R н
I 2 = 0.78I ср
p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения U ср и I ср , вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

В этой статье мы разберем какие бывают выпрямители, для какой цели служат, в чем заключаются особенности того или иного выпрямителя. Если мы решаем собрать какое-либо устройство или просто необходимо запитать готовое, то мы можем использовать питание от гальванических элементов (батареек), либо воспользоваться для этих целей аккумуляторами. Но как быть, если радиоустройство не планируется носить с собой и оно потребляет значительный ток? В таких случаях запитывают устройство от сети 220 вольт.

Напрямую запитать от 220 вольт, разумеется, мы не можем, напряжение слишком высокое и ток переменный, а для питания электронных устройств почти всегда необходим постоянный ток и более низкое напряжение. Необходим так называемый сетевой адаптер .

Фотография трансформатора

Понизить напряжение мы можем с помощью трансформатора, о нем мы поговорим в одной из следующих статей, пока нам достаточно знать, что с помощью трансформатора мы можем понизить или повысить напряжение при переменном токе. Далее нам необходимо сделать из переменного тока постоянный, для этих целей и служит выпрямитель. Существуют три основных типа выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель

Этот выпрямитель работает только в течение положительного полупериода синусоиды. Это можно видеть на следующем графике:

На выходе после диода мы получаем пульсирующее напряжение, нам нужно сделать из него постоянное, то есть из пульсирующего тока получить постоянный. Для этих целей служит электролитический конденсатор большой емкости, подключенный параллельно выходу питания в соответствии с полярностью. На фотографии ниже можно увидеть внешний вид подобного конденсатора:

Такой конденсатор благодаря большой емкости разряжается в течении отрицательного полупериода синусоиды. Обычно для фильтрации напряжения в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы от 2200 микрофарад. В усилителях и других устройствах, где важно чтобы напряжение не проседало при увеличении мощности нагрузки, ставят конденсаторы на большую емкость, чем 2200 микрофарад. Для устройств питающих бытовую аппаратуру обычно конденсаторов такой емкости бывает достаточно. На следующем графике (выделено красным), мы можем видеть, как конденсатор поддерживает напряжение стабильным во время прохождения отрицательной полуволны.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Для этой схемы необходим трансформатор, с двумя вторичными обмотками. Напряжение на диодах в два раза выше, чем при включении схемы с однополупериодным выпрямителем или при включении мостовой схемы. В этой схеме попеременно работают оба полупериода. В течении положительного полупериода работает одна часть схемы обозначенная В1 , во время отрицательного полупериода работает вторая часть схемы обозначенная В2 . Эта схема является менее экономичной, чем мостовая схема, в частности у неё более низкий коэффициент использования трансформатора. В этой схеме после диодов получается также пульсирующее напряжение, но частота пульсаций в два раза выше. Что мы и можем видеть на следующем графике:

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема

И наконец, рассмотрим схему мостового выпрямителя, самую распространенную схему, по которой сделана большая часть всех выпущенных трансформаторных блоков питания. Сейчас объясню принцип работы :

Ток у нас на выходе с трансформатора переменный, а переменный ток, как известно, в течение периода дважды меняет свое направление. Говоря другими словам, конечно же упрощенно, при переменном токе с частотой 50 герц, ток у нас 100 раз в секунду меняет свое направление. То есть сначала он течет от вывода диодного моста под цифрой один , ко второму, потом в течение другой полуволны он течет от вывода под номером два к первому.

Рассмотрим, что происходит с диодным мостом при подаче напряжения, мы видим, на рисунке обозначен красным путь тока, напрямую пройти к выводу диодного моста соединенного с переменным током не позволит диод, который получается у нас включенный в обратном включении, а в обратном включении, как мы помним, диоды не пропускают ток. Току остается только один путь (выделено на рисунке синим), через нагрузку и через диод уйти в провод соединенный с выводом переменного тока. Когда у нас ток меняет свое направление, то вступает в действие вторая часть диодного моста, которая действует аналогично той, что описал выше. В итоге у нас получается на выходе такой же график напряжения, как и у двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:

При сборке выпрямителя нужно учитывать полярность на выходе диодного моста, если мы подключим электролитический конденсатор неправильно, то рискуем испортить конденсатор и можно считать, что повезло, если этим все ограничится. Поэтому при сборке диодного моста важно помнить одно правило, плюс на выходе с моста всегда будет в точке соединения 2 катодов диодов, а минус в точке соединения анодов. Встречается и такое обозначение на схемах диодного моста:

Диодный мост можно собрать как из отдельных диодов, так и взять специальную сборку из 4 диодов, уже соединенных по мостовой схеме, и имеющий 4 вывода. В таком случае остается только подать переменный ток, идущий обычно с вторичной обмотки трансформатора на два вывода моста, а с оставшихся двух выводов снимать плюс и минус. Обычно на самой детали бывает обозначено, где какой вывод у моста. Так выглядит импортный диодный мост:

Фото диодный мост кц405

Трехфазные выпрямители

Существуют и трехфазные трансформаторы. Обычным однофазным диодным мостом с такого трансформатора не получится на выходе постоянный ток. Конечно, если нагрузка небольшая можно подключиться к одной фазе и к нулевому проводу трансформатора, но экономичным такое решение не назовешь.

Для трехфазного тока существуют специальные схемы выпрямителей, две таких схемы приведены на рисунках ниже. Первая, известная как схема Миткевича , имеет низкий коэффициент габаритной мощности трансформатора. Эта схема применяется при небольших мощностях нагрузки.

Вторая схема, известная как , нашла широкое применение в электротехнике, так как имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению со схемой Миткевича.

Схема Ларионова может использоваться как «звезда-Ларионов” и «треугольник-Ларионов”. Вид подключения зависит от схемы подключения трансформатора, либо генератора, с выходом которого соединен этот выпрямитель. Автор статьи — AKV .

Обсудить статью ВЫПРЯМИТЕЛИ

Выпрямители бывают однополупериодными или двухполупериодными в зависимости от того сколько полупериодов переменного тока используется — один или два. По однополупериодной схеме выполняют выпрямители, от которых требуется небольшой ток.

Рис.3.2. Однофазный однополупериодный выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

(а — схема однополупериодного выпрямителя; б — диаграмма входного напряжения; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г — диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

Во время положительной полуволны (в интервале 0 ÷ π) плюс напряжения на вторичной обмотке трансформатора приложен к аноду диода, а минус — к катоду (рис.3.2,а). Диод открывается, и ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод и сопротивление нагрузки Rн на минус вторичной обмотки трансформатора.

Во время отрицательной полуволны (в интервале π ÷ 2π) на анод диода поступает минус, а на катод — плюс входного напряжения, т.е. к диоду прикладывается обратное напряжение, и он закрыт.

На графике в этот момент на сопротивлении нагрузки нет падения напряжения (рис.3.2, в). Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя ЭДС е 2 соответствующей заданной величине выпрямленного напряжения E d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети. Параметры, относящиеся к цепи постоянного тока, то есть к выходной цепи выпрямителя, принято обозначать с индексом d (от английского словаdirect — прямой): R d — сопротивление нагрузки; u d — мгновенное значение выпрямленного напряжения; i d — мгновенное значение выпрямленного тока. Для однополупериодного выпрямителя имеются следующие соотношения.

ЭДС обмотки трансформатора синусоидадьна —

e 2 =√2·E 2 ·sin Θ, где

θ=ωt, E 2 — действующее значение ЭДС.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения:

Постоянная составляющая выпрямленного тока:

Для данной схемы выпрямления среднее значение анодного тока вентиля I аср = I d . Максимальное значение анодного тока:

i a max =√2·E 2 /R d =I d ·π.

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле:

U обр max = √2·E 2 = E d ·π.

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения равен:

K п =U пульс max 01 /U d = (√2E 2 /2)/(√2E 2 /π) = π/2= 1,57

Эта схема применяется редко из-за большого коэффициента пульсаций.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Рис.3.3. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (рисунок выполнен авторами)

(а — схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой; б — диаграмма входного напряжения на диодах VD1 и VD2; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г — диаграмма и среднее значение тока в нагрузке; д — ток в первичной обмотке трансформатора)

Эта схема представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку Rd и питающихся от находящихся в противофазе ЭДС (рис.3.3,б) e2a и e2b.

Схема обеспечивает прохождение тока через нагрузку в течение обоих полупериодов. Во время положительного полупериода работает первая половина вторичной обмотки (2а). Ток идёт от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, нагрузку R d и на среднюю точку вторичной обмотки. В это время к аноду диода VD2 приложен минус, а к катоду — плюс, и диод закрыт. Во время отрицательного полупериода картина меняется: будет открыт диод VD2, а диод VD1 — закрыт. В этот полупериод ток протекает за счёт напряжения на обмотке 2b. На рис. 3.3, б, в, г, д представлены временные диаграммы для двухполупериодной схемы выпрямителя со средней точкой. В случае активной нагрузки для рассматриваемой схемы действуют следующие соотношения:

E d =2√2 ·E 2 /π; U d =2√2 ·E 2 /π; I d =U d /R d ;

i a max = √2 ·E 2 /R d ; i а ср = I d /2; Uобр max= 2√2 ·E 2; K П ´= 0,66

Однофазная мостовая схема

Рис.3.4. Однофазный мостовой выпрямитель (рисунок выполнен авторами)

(а — схема двухполупериодного выпрямитель, мостовая схема; б — диаграмма входного напряжения на диодах мостовой схемы; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке; г — диаграмма и среднее значение тока в нагрузке)

Мостовая схема является наиболее распространённой. Она также двухполупериодная. Во время положительного полупериода ток проходит от плюса вторичной обмотки трансформатора через диод VD1, сопротивление нагрузки R d , диод VD3 на минус вторичной обмотки. В это время ко второй паре диодов VD2, VD4 приложено обратное напряжение. Они закрыты. Во время отрицательного полупериода ток протекает через диод VD2, нагрузку R d , диод VD4. В случае чисто активной нагрузки, пренебрежении индуктивностью обмотки трансформатора и идеальных диодах эта схема имеет следующие основные соотношения:

U d = 0,9 E 2 ; I d = U d /R d ; i a max = √2·E 2 ;

I a cp = I d /2; U обр max = √2·E 2 ; K П = 0,66.

Если сравнить мостовую схему и схему со средней точкой, то для получения одинакового напряжения в схеме со средней точкой вторичная обмотка должна иметь большее количество витков, чем в мостовой схеме. Это увеличивает размеры трансформатора. В этой же схеме к диодам прикладывается вдвое большее напряжение, чем в мостовой. Учитывая это, предпочтение отдаётся мостовой схеме, хотя здесь и требуется больше диодов. При выборе диодов для выпрямителя выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

Сглаживающие фильтры

Рассмотрим следующую схему сглаживания выпрямленного напряжения.

Рис.3.5. Сглаживание пульсаций с помощью емкостного фильтра (рисунок выполнен авторами)

(а — схема однополупериодного выпрямителя; б — диаграмма входного напряжения; в — диаграмма и среднее значение напряжения на нагрузке (пунктирной линией — без сглаживающего фильтра, красной линией — с емкостным фильтром)

На сопротивлении нагрузки выделяется пульсирующее напряжение, форма которого значительно отличается от формы постоянного напряжения. Для сглаживания пульсирующего напряжения используются сглаживающие фильтры, которые состоят в большинстве случаев из конденсатора и дросселя. Конденсатор сглаживает пульсирующее напряжение, а дроссель задерживает переменную составляющую сглаженного напряжения от попадания в нагрузку. В настоящее время функции дросселя выполняют стабилизаторы напряжения. Принцип сглаживания можно проследить по графику (рис.3.5,в). Красной линией показано напряжение на конденсаторе (или сопротивлении нагрузки). Сглаживание напряжения происходит за счёт того, что во время уменьшения пульсирующего напряжения ток в нагрузке, а, следовательно, и напряжение на R н, поддерживаются напряжением зарядившегося конденсатора. При возрастании пульсирующего напряжения конденсатор снова подзаряжается и так далее. Конденсатор хорошо сглаживает пульсации, если его емкость такова, что выполняется условие:

Xc= 1/mωC, где m — пульсность схемы, т.е. количество пульсаций за период.

Для однофазного однополупериодного выпрямителя m = 1, для однофазного двухполупериодного со средней точкой и мостового выпрямителя m = 2.

Режим работы выпрямителя в значительной степени определяется типом сглаживающего фильтра, включенного на его выходе. В маломощных выпрямителях, питающихся от однофазной сети переменного тока, применяются простейшие ёмкостные фильтры, в выпрямителях средней и большой мощности используются Г-образные LC и RC-фильтры и П-образные СLC и СRC-фильтры. Основным параметром сглаживающих фильтров является коэффициент сглаживания:

k= k Псх /k Пн,

где k псх — коэффициент пульсаций на входе фильтра; k пн — коэффициент пульсаций на нагрузке. Ёмкостный фильтр является наиболее простым из всех видов сглаживающих фильтров. Применение ёмкостного фильтра рационально при достаточно больших значениях сопротивления нагрузки и коэффициента пульсаций на нагрузке. Фильтр состоит из конденсатора, включенного параллельно нагрузке (рис. 3.5,а). Коэффициент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя с ёмкостным фильтром находят по выражению:

k П = 1/mωR н

Индуктивно-ёмкостные фильтры (Г-образный LC-фильтр и П-образный CLC-фильтр) широко применяются при повышенных токах нагрузки, поскольку падение напряжения на них можно сделать сравнительно небольшим. КПД у таких фильтров достаточно высокий. Недостатки индуктивно-ёмкостных фильтров: большие габаритные размеры и масса, повышенный уровень электромагнитного излучения от элементов фильтра, сравнительно высокая стоимость и трудоемкость изготовления.

Наиболее широко используется Г-образный LC-фильтр (рис. 3.6). Для эффективного сглаживания пульсаций таким фильтром необходимо выполнение следующих условий:

X c = 1/mωC> X c.

Рис.3.6. Индуктивно-ёмкостный сглаживающий фильтр —

Г — образный при учитывании только LC 1 и П — образный C 0 LC 1 (рисунок выполнен авторами)

При их выполнении, пренебрегая потерями в дросселе L, для коэффициента сглаживания можно записать:

g = (mω) 2 LC — 1

Для того, чтобы избежать резонансных явлений в фильтре необходимо выбирать q>3. Кроме этого, одним из основных условий является обеспечение явно выраженной индуктивной реакции фильтра на выпрямитель, необходимой для большей стабильности внешней характеристики выпрямителя. Для обеспечения индуктивной реакции необходимо, чтобы:

L ≥ 2U d /(m 2 — 1)mω·I d = 2R н /(m 2 — 1)mω.

П-образный CLC-фильтр отличается от описанного LC-фильтра наличием еще одной ёмкости C 0 , включаемой на входе фильтра. Расчет таких фильтров производят в два этапа, сначала рассчитывают ёмкость конденсатора C 0 , исходя из допустимой величины пульсации напряжения на нем, затем по приведенным выше формулам рассчитывают Г-образное звено. Наибольший коэффициент сглаживания в П-образном фильтре достигается при C 0 = C 1 .

При выборе конденсаторов фильтра следует следить за тем, чтобы они были рассчитаны на напряжение на 15…20% превышающее напряжение холостого хода выпрямителя при максимальном напряжении сети (чтобы учесть перенапряжения, возникающие при включении выпрямителя). Необходимо также, чтобы амплитуда переменной составляющей напряжения на них не превышала предельно допустимого значения.

Резистивно-ёмкостные фильтры целесообразно применять при малых токах нагрузки (менее 10…15 мА) и небольших требуемых коэффициентах сглаживания. Достоинства этих фильтров — малые габариты и масса, низкая стоимость. Недостаток — сравнительно большое падение напряжения на фильтре (что снижает КПД устройства выпрямления в целом).

Простейший Г-образный RC-фильтр (рис. 3.7) состоит из балластного резистора Rф и конденсатора С 1 . Коэффициент сглаживания такого фильтра вычисляется по формуле:

g = mωC · R н R ф / (R н +R ф).

Рис. 3.7. Резистивно-ёмкостный сглаживающий фильтр — Г — образный при учитывании только R Ф C 1 и П — образный C 0 R Ф C 1 (рисунок выполнен авторами)

Сопротивление фильтра R ф выбирают из условия допустимого падения напряжения на фильтре или исходя из заданного КПД η по формуле:

R ф = R н (1-η)/η

Комбинированные фильтры применяются при необходимости получения больших коэффициентов сглаживания на выходе выпрямителя. Они представляют собой последовательное включение нескольких фильтров. При каскадном включении LC-фильтров можно считать, что суммарный коэффициент сглаживания (q ф) равен произведению коэффициентов сглаживания составляющих фильтр звеньев:

q ф = q 1 q 2 q 3 …q n

(Петрович В. П., 2008). Для нахождения оптимального числа звеньев такого фильтра n опт при заданном q ф можно воспользоваться формулой.

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, получено

го 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.

Полуволновой выпрямитель

— принципиальная схема, теория и применение

Что такое полуволновой выпрямитель?

Полупериодный выпрямитель определяется как тип выпрямителя, который пропускает только один полупериод формы волны переменного напряжения, блокируя другой полупериод. Полупериодные выпрямители используются для преобразования переменного напряжения в постоянное, и для их создания требуется только один диод.

Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменный ток (AC) в постоянный (DC). Это делается с помощью диода или группы диодов.В однополупериодных выпрямителях используется один диод, а в двухполупериодных выпрямителях — несколько диодов.

При работе полуволнового выпрямителя используется тот факт, что диоды пропускают ток только в одном направлении.

Теория полуволнового выпрямителя

Полуполупериодный выпрямитель — это самая простая из имеющихся форм выпрямителя. Мы рассмотрим полную схему однополупериодного выпрямителя позже, но давайте сначала разберемся, что именно делает этот тип выпрямителя.

Схема ниже иллюстрирует основной принцип полуволнового выпрямителя.Когда стандартный сигнал переменного тока проходит через однополупериодный выпрямитель, остается только половина сигнала переменного тока. Полупериодные выпрямители пропускают только один полупериод (положительный или отрицательный полупериод) переменного напряжения и блокируют другой полупериод на стороне постоянного тока, как показано ниже.

Для создания однополупериодного выпрямителя требуется только один диод. По сути, это все, что делает однополупериодный выпрямитель.

Поскольку системы постоянного тока предназначены для протекания тока в одном направлении (и с постоянным напряжением, которое мы опишем позже), пропускание формы сигнала переменного тока с положительными и отрицательными циклами через устройство постоянного тока может иметь разрушительные (и опасные) последствия.Поэтому мы используем полуволновые выпрямители для преобразования входной мощности переменного тока в выходную мощность постоянного тока.

Но диод — только его часть — полная схема однополупериодного выпрямителя состоит из 3 основных частей:

1. Трансформатор
2. Резистивная нагрузка
3. Диод

Схема полуволнового выпрямителя выглядит следующим образом :

Теперь мы рассмотрим процесс преобразования однополупериодного выпрямителя переменного напряжения в выходное постоянное.

Сначала высокое напряжение переменного тока подается на первичную обмотку понижающего трансформатора, и мы получаем низкое напряжение на вторичной обмотке, которое будет подаваться на диод.

Во время положительного полупериода переменного напряжения диод будет смещен в прямом направлении, и ток протекает через диод. Во время отрицательного полупериода переменного напряжения диод будет смещен в обратном направлении, и ток будет заблокирован. Форма окончательного выходного напряжения на вторичной стороне (постоянного тока) показана на рисунке 3 выше.

На первый взгляд это может сбить с толку, так что давайте подробнее рассмотрим теорию этого явления.

Мы сосредоточимся на вторичной стороне цепи.Если мы заменим вторичные обмотки трансформатора на источник напряжения, мы можем упростить принципиальную схему однополупериодного выпрямителя как:

Теперь у нас нет трансформаторной части цепи, которая нас отвлекает.

Для положительного полупериода напряжения источника переменного тока эквивалентная схема фактически принимает вид:

Это потому, что диод смещен в прямом направлении и, следовательно, пропускает ток. Итак, у нас замкнутая схема.

Но для отрицательного полупериода напряжения источника переменного тока эквивалентная схема принимает вид:

Поскольку диод теперь находится в режиме обратного смещения, ток не может проходить через него.Таким образом, теперь у нас есть разомкнутая цепь. Поскольку в это время ток не может протекать к нагрузке, выходное напряжение равно нулю.

Все это происходит очень быстро, поскольку форма волны переменного тока будет колебаться между положительным и отрицательным значениями много раз в секунду (в зависимости от частоты).

Вот как выглядит форма волны полуволнового выпрямителя на входной стороне (V _в ) и как она выглядит на выходной стороне (V _{на выходе} ) после выпрямления (т. Е.преобразование из переменного тока в постоянный):

На приведенном выше графике фактически показан выпрямитель с положительной полуволной. Это полуволновой выпрямитель, который пропускает только положительные полупериоды через диод и блокирует отрицательные полупериоды.

Форма волны напряжения до и после выпрямителя положительной полуволны показана на рисунке 4 ниже.

И наоборот, выпрямитель с отрицательной полуволной пропускает только отрицательные полупериоды через диод и блокирует положительный полупериод. Единственная разница между положительным и отрицательным полуволновым выпрямителем — это направление диода.

Как вы можете видеть на рисунке 5 ниже, диод теперь находится в противоположном направлении. Следовательно, диод теперь будет смещен в прямом направлении только тогда, когда форма волны переменного тока находится в отрицательном полупериоде.

Конденсаторный фильтр полуволнового выпрямителя

Форма выходного сигнала, полученная нами в результате теории выше, представляет собой пульсирующую форму волны постоянного тока. Это то, что получается при использовании полуволнового выпрямителя без фильтра.

Фильтры — это компоненты, используемые для преобразования (сглаживания) пульсирующих сигналов постоянного тока в постоянные формы сигналов постоянного тока.Они достигают этого, подавляя пульсации постоянного тока в форме волны.

Хотя однополупериодные выпрямители без фильтров теоретически возможны, их нельзя использовать для каких-либо практических приложений. Поскольку оборудование постоянного тока требует постоянной формы волны, нам необходимо «сгладить» эту пульсирующую форму волны, чтобы ее можно было использовать в реальном мире.

Вот почему на самом деле мы используем полуволновые выпрямители с фильтром. В качестве фильтра можно использовать конденсатор или катушку индуктивности, но чаще всего используется полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром.

На принципиальной схеме ниже показано, как можно использовать емкостной фильтр для сглаживания пульсирующего сигнала постоянного тока в постоянный сигнал постоянного тока.

Формула полуволнового выпрямителя

Теперь мы выведем различные формулы для полуволнового выпрямителя на основе предыдущей теории и приведенных выше графиков.

Коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя

«Пульсация» — это нежелательная составляющая переменного тока, остающаяся при преобразовании формы волны переменного напряжения в форму волны постоянного тока. Несмотря на то, что мы изо всех сил стараемся удалить все компоненты переменного тока, на выходной стороне все еще остается небольшое количество, которое пульсирует форму волны постоянного тока.Этот нежелательный компонент переменного тока называется «пульсацией».

Чтобы количественно оценить, насколько хорошо однополупериодный выпрямитель может преобразовывать переменное напряжение в постоянное, мы используем так называемый коэффициент пульсаций (обозначаемый γ или r). Коэффициент пульсаций — это соотношение между среднеквадратичным значением переменного напряжения (на входе) и постоянного напряжения (на выходе) выпрямителя.

Формула для коэффициента пульсаций:

, которая также может быть преобразована в равную:

Коэффициент пульсаций полуволнового выпрямителя равен 1.21 (т.е. γ = 1,21).

Обратите внимание, что для создания хорошего выпрямителя мы хотим, чтобы коэффициент пульсаций был как можно ниже. Вот почему мы используем конденсаторы и катушки индуктивности в качестве фильтров, чтобы уменьшить пульсации в цепи.

КПД полуволнового выпрямителя

КПД выпрямителя (η) — это соотношение между выходной мощностью постоянного тока и входной мощностью переменного тока. Формула КПД равна:

КПД полуволнового выпрямителя равен 40,6% (т.е. η _max = 40.6%)

Среднеквадратичное значение полуволнового выпрямителя

Чтобы получить среднеквадратичное значение полуволнового выпрямителя, нам необходимо рассчитать ток через нагрузку. Если мгновенный ток нагрузки равен i _L = I _m sinωt, то среднее значение тока нагрузки (I _DC ) равно:

Где I _m равно пиковому мгновенному току через нагрузка (у меня _макс ). Следовательно, выходной постоянный ток (I _DC ), полученный через нагрузку, равен:

Для однополупериодного выпрямителя среднеквадратичный ток нагрузки (I _RMS ) равен среднему току (I _DC ), умноженному на π / 2.Следовательно, среднеквадратичное значение тока нагрузки (I _rms ) для полуволнового выпрямителя составляет:

Где I _m = I _max , что равно пиковому мгновенному току в нагрузке.

Пиковое обратное напряжение полуволнового выпрямителя

Пиковое обратное напряжение (PIV) — это максимальное напряжение, которое диод может выдержать в условиях обратного смещения. Если приложить напряжение больше PIV, диод выйдет из строя.

Форм-фактор полуволнового выпрямителя

Форм-фактор (F.F) — это соотношение между среднеквадратичным значением и средним значением, как показано в приведенной ниже формуле:

Форм-фактор полуволнового выпрямителя равен 1,57 (т. Е. F.F = 1,57).

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение (В _{постоянного тока,} ) на нагрузочном резисторе обозначается следующим образом:

Применение полуволнового выпрямителя

Полуполупериодные выпрямители не так часто используются, как двухполупериодные выпрямители. Несмотря на это, они по-прежнему используются в некоторых случаях:

• Для приложений выпрямления
• Для приложений демодуляции сигналов
• Для приложений пиковых значений сигнала

Преимущества полуволнового выпрямителя

Основное преимущество полуволновых выпрямителей заключается в их простоте.Поскольку для них не требуется столько компонентов, их проще и дешевле установить и построить.

Таким образом, основными преимуществами однополупериодных выпрямителей являются:

• Простота (меньшее количество компонентов)
• Более низкая начальная стоимость (так как в них меньше оборудования. Хотя со временем они дороже из-за увеличения мощности) потерь)

Недостатки полуволнового выпрямителя

Недостатки полуволнового выпрямителя:

• Они допускают только полупериод на синусоиду, а другой полупериод теряется.Это приводит к потере мощности.
• Они выдают низкое выходное напряжение.
• Получаемый нами выходной ток не является чисто постоянным, и он по-прежнему содержит много пульсаций (т.е. имеет высокий коэффициент пульсаций)

Трехфазный полуволновой выпрямитель

Все вышеприведенные теории относятся к одной фазе однополупериодный выпрямитель. Хотя принцип трехфазного полуволнового выпрямителя одинаков, характеристики разные. Форма волны, коэффициент пульсации, КПД и выходные значения RMS не совпадают.

Трехфазный полуволновой выпрямитель используется для преобразования трехфазного переменного тока в постоянный. Здесь переключатели являются диодами, а значит, это неуправляемые переключатели. То есть невозможно контролировать время включения и выключения этих переключателей.

Трехфазный полуволновой диодный выпрямитель обычно конструируется с трехфазным источником питания, подключенным к трехфазному трансформатору, где вторичная обмотка трансформатора всегда соединяется звездой.Это связано с тем, что нейтральная точка требуется для подключения нагрузки обратно к вторичным обмоткам трансформатора, обеспечивая обратный путь для потока энергии.

Типичная конфигурация трехфазного полуволнового выпрямителя, питающего чисто резистивную нагрузку, показана ниже. Здесь каждая фаза трансформатора рассматривается как отдельный источник переменного тока. Моделирование и измерение напряжений показано на схеме ниже. Здесь мы подключили индивидуальный вольтметр к каждому источнику, а также к нагрузке.

Трехфазные напряжения показаны ниже.

Напряжение на резистивной нагрузке показано ниже. Напряжение показано черным цветом.

Итак, мы можем видеть из приведенного выше рисунка, что диод D1 проводит, когда фаза R имеет значение напряжения, которое выше, чем значение напряжения двух других фаз, и это состояние начинается, когда фаза R находится в 30 ^o и повторяется после каждого полного цикла. Другими словами, следующий раз, когда диод DI начинает проводить, будет при 390 ^o .Диод D2 принимает на себя проводимость от D1, который перестает проводить под углом 150 ^o , потому что в этот момент значение напряжения в фазе B становится выше, чем напряжения в двух других фазах. Таким образом, каждый диод проводит под углом 150 ^o — 30 ^o = 120 ^o .

Здесь форма результирующего сигнала напряжения постоянного тока не является чисто постоянным, поскольку она не плоская, а скорее содержит пульсации. А частота пульсации 3 × 50 = 150 Гц.

Среднее значение выходного напряжения на резистивной нагрузке равно

Где

Действующее значение выходного напряжения равно

Напряжение пульсаций равно,

А коэффициент пульсаций напряжения равен ,

Приведенное выше уравнение показывает, что пульсации напряжения значительны.Это нежелательно, так как приводит к ненужным потерям мощности.

Выходная мощность постоянного тока,

Входная мощность переменного тока,

КПД,

Несмотря на то, что КПД трехфазного полуволнового выпрямителя кажется высоким, он все же меньше, чем КПД, обеспечиваемый трехфазным двухполупериодным диодным выпрямителем . Хотя трехфазные полуволновые выпрямители дешевле, эта экономия незначительна по сравнению с деньгами, потраченными на их более высокие потери мощности. Таким образом, трехфазные однополупериодные выпрямители обычно не используются в промышленности.

Полуволновой выпрямитель — инженеры в последнюю минуту

Большинству электронных систем, таких как телевизоры, аудиосистемы и компьютеры, для правильной работы требуется постоянное напряжение. Поскольку напряжение в сети переменное, нам необходимо преобразовать его в относительно постоянное выходное напряжение постоянного тока. Цепи, которые преобразуют переменное напряжение (AC) в постоянное (DC), называются выпрямителями .

Как известно, диод проводит ток только в одном направлении от анода к его катоду.Эта особенность делает их идеальными для исправления.

Диоды соединяются вместе, образуя различные типы выпрямительных схем, такие как «полуволновые», «двухполупериодные» или «мостовые» выпрямители.

Самым простым из всех выпрямителей является однополупериодный выпрямитель .

Полупериодный выпрямитель

На следующем рисунке показана схема полуволнового выпрямителя.

Когда на диод подается переменное напряжение, положительный полупериод напряжения источника смещает диод в прямом направлении.В этом случае диод будет выглядеть как замкнутый переключатель , а положительный полупериод напряжения источника появится на нагрузочном резисторе.

Во время отрицательного полупериода диод имеет обратное смещение. В этом случае диод будет выглядеть как разомкнутый переключатель , и на нагрузочном резисторе не будет напряжения.

В однополупериодном выпрямителе диод проводит в течение положительных полупериодов, а не отрицательных полупериодов. Из-за этого однополупериодный выпрямитель отсекает отрицательные полупериоды.Такой сигнал называется полуволновым сигналом .

Если диод перевернут, он станет смещенным в прямом направлении при отрицательном входном напряжении. В результате выходные импульсы будут отрицательными.

Это полуволновое напряжение создает ток нагрузки, который течет только в одном направлении, делая схему однонаправленной.

Значение постоянного тока полуволнового сигнала

Значение постоянного тока полуволнового сигнала такое же, как среднее значение.

Среднее значение сигнала за один цикл рассчитывается по следующей формуле:

Это уравнение говорит нам, что значение постоянного тока полуволнового сигнала составляет около 31.8% от пикового значения. Например, если пиковое напряжение полуволнового сигнала составляет 10 В, напряжение постоянного тока будет 3,18 В

Когда вы измеряете полуволновой сигнал с помощью вольтметра постоянного тока, показания будут равны среднему значению постоянного тока.

A Приближение второго порядка

В действительности мы не можем получить идеальное полуволновое напряжение на нагрузочном резисторе.

Из-за барьерного потенциала диод не включается, пока напряжение источника не достигнет примерно 0,7 В . Итак, выходное напряжение равно 0.На 7 В ниже пикового напряжения источника.

Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 10 В, напряжение нагрузки будет иметь пиковое значение только 9,3 В.

Следовательно, более точная формула для расчета значения постоянного тока полуволнового сигнала:

Выходная частота

Изменение выпрямленного выходного сигнала во время положительного и отрицательного полупериодов дает форму волны с большим количеством Пульсация (колеблющаяся часть).

Результирующая пульсация имеет ту же частоту, что и входной переменный ток.

Следовательно, мы можем написать:

Фильтрация выхода выпрямителя

Выход, который мы получаем от полуволнового выпрямителя, представляет собой пульсирующее напряжение постоянного тока, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

Нам не нужно такое постоянное напряжение. Что нам нужно, так это стабильное и постоянное напряжение постоянного тока, без каких-либо колебаний или пульсаций напряжения, которые мы получаем от батареи.

Чтобы получить такое напряжение, нам нужно отфильтровать полуволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор , через нагрузочный резистор, как показано ниже.

Изначально конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока входной сигнал не достигнет пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе равно Vp.

После того, как входное напряжение достигает пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение становится меньше Vp, напряжение на конденсаторе превышает входное напряжение, в результате чего диод отключается.

Когда диод выключен, конденсатор разряжается через нагрузочный резистор и обеспечивает ток нагрузки, пока не будет достигнут следующий пик.

Когда наступает следующий пик, диод ненадолго проводит ток и заряжает конденсатор до максимального значения.

Ограничения

Если нагрузочный резистор мал для данного номинала конденсатора, через нагрузку будет протекать большой ток, который быстрее разряжает конденсатор (из-за постоянной времени RC) и приводит к увеличению пульсаций. Пока постоянная времени RC намного больше периода, конденсатор остается почти полностью заряженным, и мы получаем идеальное выходное напряжение постоянного тока.Чтобы иметь большую постоянную времени RC, нам нужен конденсатор большей емкости . Это непрактично, поскольку существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру конденсатора.

Также нет выхода во время отрицательного полупериода, поэтому половина мощности тратится впустую , что приводит к более низкой выходной амплитуде.

Однополупериодные выпрямители из-за их основных недостатков используются редко. Было бы более практично использовать двухполупериодный выпрямитель, как описано в следующем руководстве.

NEXT

Двухполупериодный выпрямитель

Насколько эффективен однополупериодный выпрямитель: объяснение с помощью уравнения

Это третья глава в серии выпрямителей. В последних двух главах мы рассмотрели основы выпрямителей и полуволновых выпрямителей. Хотя мы рассмотрели различные свойства в нашей последней статье, но оставили в стороне математический вывод уравнения эффективности полуволнового выпрямителя. Потому что мы думаем, что это нужно объяснять отдельно.

В этой статье мы узнаем, как вычислить уравнение эффективности полуволнового выпрямителя и подробно изучить его различные применения.

Перед тем как продолжить изучение, давайте сделаем небольшой обзор работы полуволнового выпрямителя.

В полуволновом выпрямителе диод проводит только при положительных входных напряжениях, т.е. половина волны переменного тока удаляется, потому что она не может пройти через диод. Как видно из названия, он выпрямляет только половину входной волны через название явления как выпрямление. Прочтите нашу статью о схеме однополупериодного выпрямителя для полной информации.

А теперь перейдем к математической части.

В этой статье вы узнаете:

Что такое КПД выпрямителя

Отношение мощности постоянного тока, полученной на выходе, к приложенной входной мощности переменного тока известно как КПД выпрямителя .

Математически это может быть задано как:

η = выходная мощность постоянного тока / входная мощность переменного тока

Где η — это КПД выпрямителя.

Математический расчет КПД однополупериодного выпрямителя

Для определения КПД полуволнового выпрямителя рассмотрите принципиальную схему, показанную на рисунке ниже.

Пусть r _f и R _L будут прямым сопротивлением и сопротивлением нагрузки диода. v = V _m sin θ — напряжение, возникающее на вторичной обмотке силового трансформатора.

Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении, заставляя ток течь через нагрузочный резистор. В то время как во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении, поэтому он останавливает ток, протекающий через нагрузочный резистор.

Диаграмма формы сигнала в правой части рисунка выше показывает только положительный сигнал на выходе и подавленный отрицательный сигнал.В течение периода проводимости его мгновенное значение определяется уравнением:

i = v / (r _f + R _L )

v = i (r _f + R _L )

Как известно,

v = V _m sin θ

Следовательно,

i = V _m sin θ / (r _f + R _L )

Когда sin θ = 1 , ток = максимум .Следовательно,

I _m = V _m / (r _f + R _L )

Где,

i = I _m sin θ

Поскольку вывод получается через RL, следовательно

Выходная мощность постоянного тока = I _dc ² R _L

= * I _av ² R _L

Где,

I _av = ʃ (i dθ) / 2π … .. (i)

Интегрируйте уравнение (i) от 0 до π,

I _av = (1 / 2π) * ʃ I _m sin θ dθ

= (I _m / 2π) * ʃ sin θ dθ

= (I _m / 2π) [- cos θ]

= (I _m / 2π) [- (- 1-1)]

= 2 (I _m / 2π)

= (I _m / π)

Следовательно, выходная мощность постоянного тока задается как,

P _dc = I _dc ² R _L = (I _m / π) ² R _L

А потребляемая мощность переменного тока задается как,

P _ac = I _rms ² (r _f + R _L )

Где,

** I _rms = ʃ (i ² dθ) / 2π….. (ii)

Интегрируйте уравнение (ii) от 0 до π,

= √ (1 / 2π) * ʃ I _m ² sin ² θ dθ

= √ (I _m ² / 2π) * ʃ (1- cos 2θ) / 2 dθ

= √ (I _m ² / 4π) * [ʃ dθ — ʃ cos 2θ dθ]

= √ (I _m ² / 4π) * [[θ] — [sin 2θ / 2]]

= √ (I _m ² / 4π) * [π — 0]

= I _m /2

Следовательно, потребляемая мощность переменного тока задается как:

P _ac = I _{среднеквадратичное значение} ² (r _f + R _L )

= (I _m /2) ² (r _f + R _L )

And

КПД выпрямителя (η) = P _dc / P _ac

Положите значения P _dc и P _ac сверху уравнения, следовательно,

η = [(I _m / π) 90 211 2 * R _L ] / (I _m /2) ² * (r _f + R _L )

= 0.406 R _L / (r _f + R _L )

= 0,406 / (1+ r _f R _L )

Если r _f не учитывается по сравнению с R _L тогда КПД выпрямителя максимален. Следовательно,

η _max = 0,406 = 40,6%

Это означает, что полуволновой выпрямитель может преобразовать максимум 40,6% мощности переменного тока в мощность постоянного тока, а оставшаяся мощность 59,4% теряется в цепи выпрямителя. .Следовательно, КПД полуволнового выпрямителя составляет 40,6%.

Фактически, 50% мощности в отрицательном полупериоде не преобразуется, а оставшиеся 9,4% теряются в цепи.

Вы можете посмотреть это видео от Neso Academy для получения дополнительной информации.

Полупериодный выпрямитель Приложения

Полупериодный выпрямитель не так хорош по сравнению с двухполупериодным или мостовым выпрямителем, но иногда нам требуется этот выпрямитель в зависимости от требований. Некоторые из применений полуволнового выпрямителя:

• Он используется для обнаружения радиосигналов с амплитудной модуляцией.
• Для сварки подает поляризованное напряжение.
• Используется во многих процессах демодуляции сигнала.

Надеюсь, вам всем понравится эта статья. Для любого предложения или запроса прокомментируйте ниже. Мы всегда ценим ваши предложения.

Схема полуволнового выпрямителя со схемой

Принципиальная схема полуволнового выпрямителя

Простой полуволновой выпрямитель — это не что иное, как диод с одним pn переходом, подключенный последовательно к нагрузочному резистору.Как вы знаете, диод относится к электрическому току, как односторонний клапан к воде, он позволяет электрическому току течь только в одном направлении. Это свойство диода очень полезно при создании простых выпрямителей, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный.

Если вы посмотрите на диаграмму выше, мы подаем переменный ток в качестве входа. Входное напряжение подается на понижающий трансформатор, а результирующее уменьшенное выходное напряжение трансформатора передается на диод «D» и нагрузочный резистор RL. Выходное напряжение измеряется на нагрузочном резисторе RL.

В рамках серии «Учебное пособие по базовой электронике» мы увидели, что выпрямление является наиболее важным применением диода с PN переходом. Процесс выпрямления — это преобразование переменного тока (AC) в постоянный (DC).

Работа полуволнового выпрямителя

Проще говоря, полуволновой выпрямитель удаляет отрицательный полупериод переменного тока на входе и позволяет проходить только положительным циклам, создавая поток постоянного тока.

Чтобы полностью понять принцип работы полуволнового выпрямителя, вы должны хорошо знать теоретическую часть .Если вы плохо знакомы с концепцией PN-перехода и его характеристиками, я рекомендую вам сначала прочитать часть теории полуволнового выпрямителя.

Полуволновой выпрямитель работает довольно просто. С теоретической части вы должны знать, что диод с pn переходом проводит ток только в одном направлении. Другими словами, диод с pn переходом проводит ток только тогда, когда он смещен в прямом направлении. Тот же принцип используется в полуволновом выпрямителе для преобразования переменного тока в постоянный. Здесь вводится переменный ток.Это входное напряжение понижается с помощью трансформатора. Пониженное напряжение подается на диод «D» и сопротивление нагрузки RL. Во время положительных полупериодов входной волны диод «D» будет смещен в прямом направлении, а во время отрицательных полупериодов входной волны диод «D» будет смещен в обратном направлении. Возьмем выход через резистор нагрузки RL. Поскольку диод пропускает ток только в течение половины периода входной волны, мы получаем выходной сигнал, как показано на диаграмме. Выход является положительным и значительным во время положительных полупериодов входной волны.При этом выход равен нулю или незначителен во время отрицательных полупериодов входной волны. Это называется полуволновым выпрямлением .

Объяснение полуволнового выпрямления академическими словами!

Когда одиночный выпрямительный диодный блок включен последовательно с нагрузкой на источнике переменного тока, он преобразует переменное напряжение в однонаправленное пульсирующее напряжение, используя половину цикла приложенного напряжения, а другой полупериод подавляется, потому что он проводит только в одном направлении.Следовательно, если в цепи нет индуктивности или батареи, ток будет нулевым в течение половины времени. Это называется полуволновым выпрямлением . Как уже говорилось, диод — это электронное устройство, состоящее из двух элементов, известных как катод и анод. Поскольку в диоде электроны могут течь только в одном направлении , то есть от катода к аноду, диод обеспечивает одностороннюю проводимость, необходимую для выпрямления. Это справедливо для диодов всех типов — вакуумных, газонаполненных, кристаллических или полупроводниковых, металлических (типа оксида меди и селена) диодов. Полупроводниковые диоды, из-за присущих им преимуществ обычно используются в качестве выпрямительного устройства. Однако для очень высоких напряжений можно использовать вакуумные диоды.

Работа однополупериодного выпрямителя

Схема однополупериодного выпрямителя с полупроводниковым диодом (D) с сопротивлением нагрузки R _L , но без сглаживающего фильтра, не представлена ​​на рисунке. Диод включен последовательно с вторичной обмоткой трансформатора и сопротивлением нагрузки R _L. Первичная обмотка трансформатора подключается к сети переменного тока.

Переменное напряжение на вторичной обмотке меняет полярность после каждого полупериода входной волны. Во время положительных полупериодов входного переменного напряжения , то есть , когда верхний конец вторичной обмотки положительный относительно нижний конец диода смещен в прямом направлении и, следовательно, проводит ток. Если прямое сопротивление диода предполагается равным нулю (на практике, однако, существует небольшое сопротивление), входное напряжение во время положительных полупериодов прикладывается непосредственно к сопротивлению нагрузки R _L , делая его верхний конец положительным. ш.r.t. его нижний конец. Формы сигналов выходного тока и выходного напряжения имеют ту же форму, что и входное переменное напряжение.

Во время отрицательных полупериодов входного переменного напряжения , то есть , когда нижний конец вторичной обмотки положителен по отношению к его верхний конец диод имеет обратное смещение и поэтому не проводит. Таким образом, во время отрицательных полупериодов входного переменного напряжения ток и напряжение на нагрузке остаются равными нулю. Обратный ток, будучи очень малым по величине, не учитывается.Таким образом, в течение отрицательных полупериодов питание на нагрузку не подается.

Таким образом, выходное напряжение (VL), возникающее на сопротивлении нагрузки R _L , представляет собой серию положительных полупериодов переменного напряжения с промежуточными очень небольшими постоянными отрицательными уровнями напряжения. Из рисунка очевидно, что выход не является постоянным постоянным током. , но только пульсирующая волна постоянного тока. Чтобы сделать выходную волну гладкой и полезной в источнике питания постоянного тока, мы должны использовать фильтр по нагрузке.Поскольку используются только полупериоды входной волны, он называется полуволновым выпрямителем .

Теория полуволнового выпрямителя

Выпрямление — это применение диода с pn переходом. Полуволновой выпрямитель — это устройство, в котором используются основные свойства диода с pn переходом. Итак, чтобы понять основную теорию, лежащую в основе полуволнового выпрямителя, вам необходимо понять pn-переход и характеристики диода pn-перехода. Мы разработали две статьи, чтобы помочь вам понять их обе.

1) Понимание PN-перехода — Эта статья поможет вам понять pn-переход и основную теорию, лежащую в основе использования PN-перехода в качестве выпрямителя.

2) Характеристики диода с pn переходом — Эта статья поможет вам разобраться в характеристиках диода с pn переходом с помощью графиков. Вы можете понять поведение диода при различных уровнях напряжения и его проводимость.

Примечание: — За изобретением диода с PN переходом стоит интересная история .История вращается вокруг настойчивости молодого ученого из Bell Laboratories в США, г-на Рассела Ола. Из этой истории вы узнаете, как происходят великие изобретения и как такие яркие умы 1930-х годов, как Уолтер Браттейн (один из трех изобретателей транзисторов), работали вместе, чтобы воплотить великие изобретения в нашу жизнь

Характеристики блока питания выпрямителя

Наиболее важными характеристиками, которые необходимо указать для источника питания, являются требуемое выходное постоянное напряжение, средний и пиковый токи в диоде, пиковое обратное напряжение (PIV) диода, регулирование и коэффициент пульсации.

Преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

Однополупериодный выпрямитель на практике используется редко. Его никогда не используют в качестве источника питания аудиосхемы из-за очень высокого коэффициента пульсаций. Высокий коэффициент пульсации приведет к появлению шумов во входном аудиосигнале, что, в свою очередь, повлияет на качество звука.

Преимущество полуволнового выпрямителя только в том, что он дешев, прост и прост в изготовлении. Это дешево из-за небольшого количества задействованных компонентов.Просто благодаря прямолинейности схемотехники. Кроме того, у однополупериодного выпрямителя больше недостатков, чем достоинств!

Недостатки однополупериодного выпрямителя

1. Выходной ток в нагрузке содержит, помимо постоянной составляющей, составляющие переменного тока основной частоты, равной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций высок, поэтому для обеспечения стабильного выхода постоянного тока требуется сложная фильтрация.

2.Выходная мощность и, следовательно, эффективность выпрямления довольно низкие. Это связано с тем, что мощность подается только в течение половины цикла входного переменного напряжения.

3. Низкий коэффициент использования трансформатора.

4. Насыщение сердечника трансформатора постоянным током, приводящее к току намагничивания, гистерезисным потерям и генерации гармоник.

Выход постоянного тока от однополупериодного выпрямителя не подходит для обычного источника питания. Однако его можно использовать для некоторых приложений, например для зарядки аккумулятора.

Полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром

Выход полуволнового выпрямителя не является постоянным напряжением. На выходной диаграмме видно, что это пульсирующее постоянное напряжение с пульсациями переменного тока. В реальных приложениях нам нужен источник питания с плавной формой волны. Другими словами, нам нужен источник питания постоянного тока с постоянным выходным напряжением. Постоянное выходное напряжение от источника постоянного тока очень важно, поскольку оно напрямую влияет на надежность электронного устройства, которое мы подключаем к источнику питания.

Мы можем сделать выходной сигнал полуволнового выпрямителя плавным, используя фильтр (конденсаторный фильтр или индуктивный фильтр) на диоде. В некоторых случаях также используется резистивно-конденсаторный фильтр (RC). На схеме ниже показан полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром.

Полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром — принципиальная схема и форма выходного сигнала

Анализ полуволнового выпрямителя

Следующие параметры будут объяснены для анализа полуволнового выпрямителя: —

1. Пиковое обратное напряжение (PIV)

Пиковое обратное напряжение (PIV) диода важно на этапах его проектирования. Это максимальное напряжение, которое выпрямительный диод должен выдерживать в течение периода обратного смещения.

Когда диод смещен в обратном направлении, в течение отрицательного полупериода ток через нагрузочный резистор RL не протекает. Следовательно, на сопротивлении нагрузки RL не будет падения напряжения, которое приведет к появлению всего входного напряжения на диоде.Таким образом, на диоде появляется пиковое вторичное напряжение V _SMAX . Следовательно,

Пиковое обратное напряжение (PIV) однополупериодного выпрямителя = В _SMAX

2. Средние и пиковые токи в диоде

Если предположить, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора синусоидально относительно пиковых значений V _SMAX , мгновенное значение напряжения, подаваемого на выпрямитель, можно записать как

Мгновенное значение напряжения, приложенного к полуволновому выпрямителю

Предполагая, что диод имеет прямое сопротивление ВЧ Ом и бесконечное значение обратного сопротивления, ток, протекающий через выходное сопротивление нагрузки RL, равен

. Ток, протекающий через диод

I _MAX = V _SMAX / (R _F + R _L )

3. Выходной постоянный ток

Выходной постоянный ток равен

. Выходной постоянный ток полуволнового выпрямителя

Подставив значение I _MAX в уравнение I _MAX = V _SMAX / (R _F + R _L ), имеем

I _{постоянного тока} = В _SMAX / = V _SMAX / R _L если R _L >> R _F

4. Выходное напряжение постоянного тока

Значение постоянного напряжения на нагрузке равно

.

В _{постоянного тока} = I _{постоянного тока} R _L = В _SMAX / pi (R _F + R _L) XR _L = В _SMAX / {1 + R _{F / R L} }

Если R _L >> R _F , V _dc = V _SMAX / pi

5. Среднеквадратичное значение тока

Действующее значение тока, протекающего через диод, равно

. Среднеквадратичное значение тока, протекающего через диод в полуволновом выпрямителе

6. Среднеквадратичное значение выходного напряжения

Действующее значение напряжения на нагрузке равно

.

В _Lrms = I _RMS R _L = V _SMAX R _L /2 ( _F + R _L R _L = V _SMAX /2 {1 + R _{F / R L} }

Если R _L >> R _F , V _Lrms = V _SMAX /2

7. Эффективность выпрямления

Эффективность выпрямления определяется как отношение выходной мощности к входной мощности переменного тока.

КПД, Ƞ = мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку / мощность переменного тока на входе от трансформатора = P _{постоянного тока} / P _{переменного тока}

Мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку, P _{постоянного тока} = I ² _{постоянного тока} R _L = (I _{макс. / pi} ) ² R _л

Входная мощность переменного тока на трансформатор, P _ac = Мощность, рассеиваемая на диодном переходе + Мощность, рассеиваемая в сопротивлении нагрузки R _L

= I ² _rms R _F + I ² _rms R _L = {I ² _MAX } _р. + р. _р. ]

Итак, эффективность выпрямления, Ƞ = P _dc / P _ac = {4/ ² } [ R _L / ( _F + R _L ) ] = 0.406/ {1+ R _{F / R L} }

Максимальный КПД, который может быть получен с помощью однополупериодного выпрямителя, составляет 40,6%. Это получается, если пренебречь R _F .

8. Коэффициент пульсации

Фактически, коэффициент пульсации является мерой оставшихся переменных компонентов на выходе выпрямителя с фильтром. Это отношение действующего значения составляющих переменного тока напряжения (или тока), присутствующих на выходе выпрямителя, к составляющей постоянного тока в выходном напряжении (или токе).

Действующее значение тока нагрузки равно

.

I ² = I ² _{постоянного тока} + I ² ₁ + I ² ₂ + I ² I ² _{постоянного тока} + I ² _{переменного тока}

Где, I ₁ , I ₂ , I ₄ и т. Д. — среднеквадратичные значения основной, второй, четвертой и т. Д. Гармоник и I ² _ac — это сумма квадратов среднеквадратичных значений компонентов переменного тока.

Итак, коэффициент пульсации, γ = I _ac / I _dc = I ² — I ² _dc ) / I _dc = {(I _rms / I _dc ² ) -1} = K _f ² — 1)

Где K _f — форм-фактор входного напряжения. Для однополупериодного выпрямителя форм-фактор равен

.

K _f = I _rms / I _avg = (I _max / ₂ ) / (I _max / pi) = pi / 2 = 1.57

Итак, коэффициент пульсации, γ = (1,57 ² — 1) = 1,21

9. Постановление

Изменение выходного напряжения в зависимости от постоянного тока нагрузки называется регулированием. Регулирование в процентах составляет

.

% Регулировка = {(Vno-load — Vfull-load) / Vfull-load} * 100

В случае идеального источника питания выходное напряжение не должно зависеть от тока нагрузки, а регулировка в процентах должна быть равна нулю.

Применение полупериодного выпрямителя

Для построения источников постоянного тока используется любой выпрямитель.Практическое применение любого выпрямителя (будь то полуволновой или двухполупериодный) должно использоваться в качестве компонента в построении источников питания постоянного тока. Полупериодный выпрямитель ничем не отличается от двухполупериодного выпрямителя в любом смысле. Для создания эффективного и бесперебойного источника питания постоянного тока всегда предпочтительнее двухполупериодный выпрямитель. Однако для приложений, в которых постоянное напряжение постоянного тока не очень важно, вы можете использовать блоки питания с полуволновым выпрямителем.

силовых диодов, используемых в качестве однополупериодных выпрямителей

В предыдущих уроках мы видели, что полупроводниковый сигнальный диод будет проводить ток только в одном направлении от анода к катоду (прямое направление), но не в обратном направлении, действуя немного как электрический односторонний клапан.

Широко используемое применение этой функции и диодов в целом — преобразование переменного напряжения (AC) в постоянное напряжение (DC). Другими словами, Исправление .

Но малосигнальные диоды могут также использоваться в качестве выпрямителей в маломощных выпрямителях или устройствах с низким током (менее 1 А), но там, где задействованы большие токи прямого смещения или более высокие напряжения блокировки обратного смещения, PN переход слабого сигнала Диод в конечном итоге перегреется и расплавится, поэтому вместо него используются более мощные и надежные Power Diodes .

Силовой полупроводниковый диод, известный просто как Power Diode , имеет гораздо большую площадь PN-перехода по сравнению с его родственником с меньшим сигнальным диодом, что обеспечивает высокую пропускную способность прямого тока до нескольких сотен ампер (KA) и обратную блокировку. напряжение до нескольких тысяч вольт (кВ).

Поскольку силовой диод имеет большой PN переход, он не подходит для высокочастотных применений выше 1 МГц, но доступны специальные и дорогие высокочастотные сильноточные диоды.Для высокочастотных выпрямителей обычно используются диоды Шоттки из-за их короткого времени обратного восстановления и низкого падения напряжения при прямом смещении.

Силовые диоды обеспечивают неконтролируемое выпрямление мощности и используются в таких приложениях, как зарядка аккумуляторов и источники питания постоянного тока, а также выпрямители и инверторы переменного тока. Благодаря своим высоким токовым и вольт-амперным характеристикам они также могут использоваться в качестве обратных диодов и демпфирующих цепей.

Силовые диоды

спроектированы так, чтобы иметь прямое сопротивление «ВКЛ», составляющее доли Ом, в то время как их обратное блокирующее сопротивление находится в диапазоне мегаом.Некоторые из мощных диодов большего номинала предназначены для «крепления» на радиаторах, что снижает их тепловое сопротивление до 0,1–1 ^– К / Вт.

Если на силовой диод подается переменное напряжение, во время положительного полупериода диод будет проводить проходящий ток, а в течение отрицательного полупериода диод не будет проводить, блокируя прохождение тока. Тогда проводимость через силовой диод происходит только в течение положительного полупериода и, следовательно, является однонаправленной i.е. DC, как показано.

Выпрямитель с силовым диодом

Силовые диоды могут использоваться по отдельности, как указано выше, или соединяться вместе для создания различных выпрямительных схем, таких как «полуволновые», «полноволновые» или как «мостовые выпрямители». Каждый тип выпрямительной схемы может быть классифицирован как неуправляемый, полууправляемый или полностью управляемый, где неуправляемый выпрямитель использует только силовые диоды, полностью управляемый выпрямитель использует тиристоры (SCR), а полууправляемый выпрямитель представляет собой смесь диодов и тиристоров.

Наиболее часто используемый индивидуальный силовой диод для базовых электронных устройств — это выпрямительный диод общего назначения серии 1N400x с пассивированным стеклом, со стандартными номинальными значениями постоянного выпрямленного тока в прямом направлении около 1,0 ампер и номинальным обратным блокирующим напряжением от 50 В для 1N4001 до 1000 В для 1N4007, причем маленький 1N4007GP является наиболее популярным для выпрямления сетевого напряжения общего назначения.

Полуволновое выпрямление

Выпрямитель — это схема, которая преобразует входную мощность переменного тока (AC) в выходную мощность постоянного тока (DC).Входной источник питания может быть однофазным или многофазным, причем простейшая из всех выпрямительных схем — это полуволновой выпрямитель .

Силовой диод в схеме полуволнового выпрямителя пропускает только половину каждой полной синусоидальной волны источника переменного тока, чтобы преобразовать его в источник постоянного тока. Тогда этот тип схемы называется «полуволновым» выпрямителем, потому что он пропускает только половину входящего источника питания переменного тока, как показано ниже.

Схема полуволнового выпрямителя

Во время каждого «положительного» полупериода синусоидальной волны переменного тока диод смещен в прямом направлении , поскольку анод является положительным по отношению к катоду, что приводит к протеканию тока через диод.

Поскольку нагрузка постоянного тока является резистивной (резистор, R), ток, протекающий в нагрузочном резисторе, поэтому пропорционален напряжению (закон Ома), и поэтому напряжение на нагрузочном резисторе будет таким же, как и напряжение питания, Vs (минус Vƒ), то есть «постоянное» напряжение на нагрузке является синусоидальным только в течение первого полупериода, поэтому Vout = Vs.

Во время каждого «отрицательного» полупериода синусоидального входного сигнала переменного тока диод смещен в обратном направлении, , так как анод является отрицательным по отношению к катоду.Следовательно, через диод или цепь не протекает ток. Затем в отрицательном полупериоде питания ток в нагрузочном резисторе не протекает, поскольку на нем не появляется напряжение, поэтому Vout = 0.

Ток на стороне постоянного тока цепи течет только в одном направлении, делая цепь однонаправленной . Поскольку нагрузочный резистор получает от диода положительную половину формы волны, ноль вольт, положительную половину формы волны, ноль вольт и т. Д., Значение этого нерегулярного напряжения будет равно по значению эквивалентному напряжению постоянного тока, равному 0.318 * Vmax входного синусоидального сигнала или 0,45 * Vrms входного синусоидального сигнала.

Затем эквивалентное напряжение постоянного тока V _DC на нагрузочном резисторе рассчитывается следующим образом.

Где V _MAX — максимальное или пиковое значение напряжения синусоидального источника переменного тока, а V _RMS — среднеквадратичное значение напряжения питания.

Пример силового диода №1

Рассчитайте падение напряжения V _DC и тока I _DC , протекающего через резистор 100 Ом, подключенный к однофазному полуволновому выпрямителю на 240 В (среднеквадр.), Как показано выше.Также рассчитайте среднюю мощность постоянного тока, потребляемую нагрузкой.

Таким образом, во время процесса выпрямления результирующие выходное напряжение и ток постоянного тока находятся в состоянии «ВКЛ» и «ВЫКЛ» в течение каждого цикла. Поскольку напряжение на нагрузочном резисторе присутствует только в течение положительной половины цикла (50% входного сигнала), это приводит к низкому среднему значению постоянного тока, подаваемому на нагрузку.

Изменение формы выпрямленного выходного сигнала между состояниями «ВКЛ» и «ВЫКЛ» дает форму волны с большим количеством «пульсаций», что является нежелательной особенностью.Результирующая пульсация постоянного тока имеет частоту, равную частоте переменного тока.

Очень часто при выпрямлении переменного напряжения мы хотим получить «устойчивое» и непрерывное постоянное напряжение без каких-либо колебаний или пульсаций напряжения. Один из способов сделать это — подключить конденсатор большой емкости к клеммам выходного напряжения параллельно нагрузочному резистору, как показано ниже. Этот тип конденсатора обычно известен как «резервуар» или сглаживающий конденсатор .

Однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Когда выпрямление используется для обеспечения источника постоянного напряжения (DC) от источника переменного (AC), количество пульсаций напряжения может быть дополнительно уменьшено за счет использования конденсаторов большей емкости, но существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру для типов используются сглаживающие конденсаторы.

Для данного номинала конденсатора больший ток нагрузки (меньшее сопротивление нагрузки) будет разряжать конденсатор быстрее (постоянная времени RC) и, таким образом, увеличивает получаемую пульсацию. Тогда для однофазной схемы однополупериодного выпрямителя, использующей силовой диод, не очень практично пытаться уменьшить напряжение пульсаций только с помощью конденсаторного сглаживания. В этом случае было бы более практично использовать вместо этого «полноволновую коррекцию».

На практике однополупериодный выпрямитель чаще всего используется в маломощных приложениях из-за их основных недостатков.Амплитуда выходного сигнала меньше входной амплитуды, в течение отрицательного полупериода выходной сигнал отсутствует, поэтому половина мощности тратится впустую, а выходной сигнал является импульсным постоянным током, что приводит к чрезмерной пульсации.

Чтобы преодолеть эти недостатки, несколько силовых диодов соединены вместе для создания полноволнового выпрямителя, как описано в следующем руководстве.

Проект схемы полуволнового выпрямителя [однофазный]

Привет.Я надеюсь, вы хорошо проводите время. В этом посте я собираюсь поделиться своими знаниями о том, как спроектировать схему полуволнового выпрямителя. Схема выпрямителя однофазная и неуправляемая, т.е. на диодной основе.

Я не собираюсь вдаваться в общую теорию, я расскажу, как ее спроектировать, как увидеть форму волны на входе и выходе с точки зрения теоремы Фурье, как рассчитать нагрузку, как выбрать правильный диод, каково фактическое значение КПД выпрямителя. В общем, много интересного для изучения.

Надеюсь, вам понравится, и вы дойдете до конца.

Схема полуволнового выпрямителя

Многие люди думают, что схема выпрямителя преобразует переменный ток в постоянный, и это правильно. Но я лично считаю, что любой разнонаправленный сигнал с большей вероятностью превратится в однонаправленный.

Например, в случае преобразования переменного тока в постоянный, переменный ток является двухнаправленным, т.е. он имеет положительный пик, а также отрицательный пик, выпрямитель удаляет положительную или отрицательную часть, делая его однонаправленным сигналом, называемым пульсирующим постоянным током (положительным или отрицательным). .

Итак, в целом мы можем согласиться с изложенным мной определением. И, пожалуйста, не ограничивайте переменный ток только синусоидальной формой волны, он может быть треугольным или квадратным в зависимости от приложения.

Теперь посмотрим, как выглядит схема однополупериодного выпрямителя, и попробуем узнать о ней побольше.

Видите ли, это очень простая схема. В нем есть диод, конденсатор, действующий как фильтр, и резистор, представляющий вашу нагрузку. Не обращая внимания на фильтр, мы оставили две конфигурации диода, либо у нас может быть контакт анода диода, подключенный к входу переменного тока, либо к нагрузке.В первом случае у нас будет заблокирован отрицательный пик, в то время как во втором случае у нас будет заблокирован положительный пик.

На изображении выше я использую анод диода, подключенный к источнику переменного тока, и блокирую отрицательную часть. И когда вы переворачиваете диод, выход становится инвертированным. Очень здорово попробовать самому. Кстати, для этого поста я использую Multisim Student Edition. Мне нравится Multisim, но вы можете попробовать его в любом программном обеспечении для моделирования.

Схема полуволнового выпрямителя

Проектирование схемы означает не только то, что вы должны знать, как рассчитать значения каждого компонента.Проектирование начинается, когда вы получаете уверенность в том, что эта схема, которую вы собираетесь спроектировать, является правильным вариантом для настоящего приложения. Таким образом, среди многих других вопросов вам необходимо ответить, насколько эффективен дизайн для моего текущего приложения?

Говоря об эффективности, вы можете ясно видеть, что она должна быть ниже 50%, так как половина отрицательной части заблокирована. Вычитая потери самого выпрямителя, схема полуволнового выпрямителя дает КПД 40,6%, что, по моему мнению, не очень хорошо.

Но схема слишком проста и рентабельна, чтобы использовать ее во многих приложениях, особенно в игрушках, для связи в качестве пикового детектора, радиоприемников, триммеров для бороды и припоев для железа.

Теперь займемся дизайном. Это очень простая схема и увлекательная в дизайне. Подождите, думаю, я могу добавить сюда еще кое-что. Вы видите, что выходное напряжение однонаправлено, но вы не можете сказать, какое это значение постоянного тока. DC обычно является постоянным значением, что неверно в нашем случае. Чтобы решить эту проблему, мы будем использовать среднее значение постоянного тока.

Сфокусируйтесь на следующем изображении (Источник: electric4u)

Для вычисления среднего значения постоянного тока мы будем использовать ряд Фурье. Забудьте о терминах cos и sin, просто сфокусировавшись на его термине DC. Выходное напряжение представляет собой синусоидальную волну с периодом времени 2Pi. С этой информацией позвольте решить это с помощью ряда Фурье.

Последнее уравнение показывает среднее выходное напряжение. Vo — пиковое напряжение переменного тока на входе диода.Интегральное значение устанавливается от 0 до Pi, потому что от периода Pi до 2Pi сигнал равен нулю, что означает, что его не нужно вычислять.

Аналогично, выходной ток находится в фазе с напряжением и может быть рассчитан путем деления выходного напряжения на сопротивление нагрузки.

У нас есть выходная мощность постоянного тока и входная мощность переменного тока, почему бы не рассчитать ее эффективность. Эффективность выпрямителя — это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока.

Я думаю, что поделился тем, что знаю по этой теме, давайте перейдем к этапу разработки полуволнового выпрямителя.

Шаг 1: Расчет нагрузки

Первое и самое важное — это оценить вашу нагрузку, то есть для какого типа нагрузки вы должны спроектировать полуволновой выпрямитель. Это можно сделать следующим образом.

• Используя закон Ома, вы знаете, какое рабочее напряжение и ток имеет ваше устройство, и рассчитайте значение сопротивления. Это значение сопротивления является вашим расчетным напряжением.
• Если вам дана мощность в ваттах и ​​напряжении, то, используя следующее уравнение мощности, вы можете рассчитать необходимое значение сопротивления.

• Если вам дана мощность в ваттах и ​​токе, то, используя следующее уравнение мощности, вы можете рассчитать необходимое значение сопротивления.

Иногда, если теоретически невозможно рассчитать нагрузку, может оказаться полезным приблизительное, но обучающее предположение. Но это очень редкий случай, когда закон Ома работает почти в любой ситуации.

Шаг 2: Выбор правильного диода

Обычно люди ограничивают схему однополупериодного выпрямителя только линейным источником питания, что не является хорошей идеей.В указанном источнике питания частота меньше 100 Гц, но в импульсном источнике питания вы используете ту же схему, но на этот раз вы имеете дело с частотой в килогерцах.

Я хочу прояснить, что обработка частоты должна быть первым, на что вы должны обращать внимание при выборе правильного диода для своей схемы.

Следующее — это мощность. Всегда выбирайте диод, совместимый с требуемой номинальной мощностью.

Позвольте мне рассказать вам кое-что интересное: на диоде всегда будет определенное падение напряжения i.е в случае кремниевого диода — 0,7 В. Итак, найдите ток в таблице и сравните его с током нагрузки. Этот ток должен быть как минимум на 20% больше тока нагрузки.

Далее идет пиковое обратное напряжение, номинальные значения PIV. Вы знаете, что падение напряжения не является проблемой, когда диод имеет прямое смещение, а ток. Но при обратном смещении обратное напряжение имеет значение.

Наилучшая практика заключается в том, что значение пикового обратного напряжения диода, указанное в таблице, должно как минимум на 20% превышать ожидаемое обратное напряжение в цепи через него.

Шаг 3. Фильтр выходного конденсатора

Формируйте Pi, чтобы на периоде 2Pi не было выходного напряжения, что равносильно отключению подключенного к нему устройства. Иногда это хорошо, но не всегда требуется. Ситуация, когда это не подходит, — это, конечно, блок питания. Чтобы восполнить этот пробел, вводится конденсатор.

Емкость конденсатора не должна быть намного выше или намного меньше, она должна быть промежуточной величиной. Большое значение приводит к медленной зарядке и разрядке и, наоборот, к небольшому значению.

Номинальное напряжение должно быть как минимум на 20% больше, чем пиковое выходное напряжение.

Шаг 4: Тестирование проектной схемы

Когда вы закончите процесс проектирования, пришло время протестировать вашу схему. Это можно сделать с помощью мультиметра или осциллографа. Я выберу осциллографы, потому что они дают вам возможность провести более глубокий анализ. Вы можете подтвердить свой результат с помощью мультиметра, но для анализа неисправностей вам понадобится осциллограф.

Теперь, когда вы теоретически рассчитали среднее значение постоянного тока, подключите мультиметр к выходным клеммам схемы.Посмотрите, дает ли мультиметр точное значение с допуском от 1 до 5%, поздравляю, вы просто сделали отличный дизайн.

Если допуск больше указанного, попробуйте оптимизировать номинал конденсатора, или, может быть, вы сделали что-то не так. И позвольте мне сказать, вы будете делать ошибки, но это очень хорошо. Я тоже на своем пути сделал много ошибок. Итак, ошибки — это часть обучения, получайте удовольствие, извлекайте уроки из этого.

Пример конструкции схемы полуволнового выпрямителя

Нам дана нагрузка мощностью 0 ватт.2 Вт и номинальное напряжение 5 В. Постановка проблемы заключается в том, что нам нужно разработать полуволновой выпрямитель для питания устройства от сети переменного тока, то есть 220 В.

Решение:

Расчет нагрузки

Рассчитайте нагрузку по следующей формуле:

это 125 Ом, что является очень низким сопротивлением.

Выбор диода

Входное напряжение переменного тока составляет 220 В при 50 Гц, которое необходимо понизить до 6 В переменного тока с помощью трансформатора.Напряжение вторичной обмотки трансформатора составляет 6 В среднеквадратического значения с пиковым значением 8,5 В. Таким образом, PIV необходимого диода должен быть не менее 12 В.

Мы можем работать с любым прямым напряжением, просто нужно знать ток, который будет проходить через него во включенном состоянии. Этот ток и ток нагрузки одинаковы, поэтому по заданным параметрам нагрузки легко рассчитать прямой ток диода, используя следующее уравнение.

R составляет 125 Ом, а мощность — 0,2 Вт. Выполнив простые вычисления, мы получим текущее значение 40 мА.Теперь у нас есть все необходимое для правильного выбора диода. Следующее, что нужно сделать, это зайти на любой веб-сайт поставщика электроники, такой как Digikey, и найти стандартный выпрямительный диод, используя фильтры, и вы получите идеальное решение.

Расчет фильтра конденсатора

Это может быть сложно, и нужно попробовать и потерпеть неудачу. Иногда вы выбираете значение, которое работает с некоторыми нагрузками, но не работает с другими нагрузками или когда параметр нагрузки изменяется в зависимости от температуры или других возможных условий.Старайтесь не выбирать очень большое значение, потому что это будет очень дорого, а также опасно, если вы новичок в электронике.

Используйте следующую формулу, чтобы определить номинал конденсатора.

В нашем случае Io составляет 40 мА, а Vo — 5 В. Используя простые математические вычисления, мы получили бы емкость конденсатора 2,547E-5. Ближайшее стандартное значение составляет 0,22 мкФ, поэтому мы будем использовать указанное стандартное значение. Всегда придерживайтесь стандартных значений, так как почти каждая производственная компания производит конденсаторы с такими характеристиками, и они легко доступны в местных магазинах электроники или в Интернете.

Заключительные слова о схемах однополупериодного выпрямителя

A Выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный. Есть два типа выпрямителей: полуволновые и полнополупериодные. Первая, интересующая нас тема, разрешает только одну часть входного переменного тока и блокирует другую.

В этом посте представлена ​​процедура проектирования, с помощью которой вы сможете разработать схему однополупериодного выпрямителя.

Когда вы закончили расчет компонентов. Самая сложная часть заключается в том, что такого значения почти не существует, т.е.Вы рассчитали емкость конденсатора, но в итоге получается нестандартное значение. Это происходит часто, поэтому не волнуйтесь, выбирайте компонент с точным приближением.

Да, это все, что у меня есть для вас о конструкции схемы однополупериодного выпрямителя. Надеюсь, вы кое-что узнали.

Большое спасибо за чтение и хорошей жизни.

---

Прочие полезные сообщения

Диодное выпрямление: полуволна, полнополупериод, PIV

В электронике выпрямление — это процесс, в котором выпрямительный диод преобразует переменный входной сигнал переменного тока полного цикла в выходной сигнал постоянного тока полупериода.

Один диод производит полуволновое выпрямление, а сеть из 4 диодов производит двухполупериодное выпрямление

В этом посте мы проанализируем процессы полуволнового и полноволнового диодного выпрямления, а также другие свойства с помощью изменяющихся во времени функций, таких как синусоида. и прямоугольная волна. То есть через напряжения и токи, которые меняют свою величину и полярность во времени.

Мы будем считать диод идеальным диодом, игнорируя кремниевый диод или германий, чтобы свести к минимуму сложности в расчетах.Будем рассматривать диод как стандартный выпрямительный диод со стандартными выпрямительными возможностями.

Полуволновое выпрямление

Простейшая диаграмма, показывающая изменяющийся во времени сигнал, подаваемый на диод, показана на следующей диаграмме:

Здесь мы можем видеть форму волны переменного тока, где период T означает один полный цикл формы волны, которая представляет собой среднее значение или алгебраическую сумму частей или выступов выше и ниже центральной оси.

Этот тип схемы, в которой используется единственный выпрямительный диод с изменяющимся во времени синусоидальным входным сигналом переменного тока для генерации выхода постоянного тока, имеющего значение, равное половине входного , называется полуволновым выпрямителем .Диод в этой схеме называется выпрямителем.

В течение периода между t = 0 → T / 2 сигнала переменного тока полярность напряжения vi создает «давление» в направлении, показанном на диаграмме ниже. Это позволяет диоду включаться и проводить с соблюдением полярности, указанной чуть выше символа диода.

Поскольку диод полностью проводит, при замене диода на короткое замыкание будет получен выходной сигнал, как показано на правом верхнем изображении.

Без сомнения, сгенерированный выходной сигнал является точной копией приложенного входного сигнала над центральной осью формы волны.

В течение периода T / 2 → T полярность входного сигнала vi становится отрицательной, что приводит к выключению диода, что приводит к эквивалентной разомкнутой цепи на выводах диода. Из-за этого заряд не может проходить через диодный тракт в течение периода T / 2 → T, в результате чего vo составляет:

vo = iR = 0R = 0 В (с использованием закона Ома). Отклик можно визуализировать на следующей диаграмме:

На этой диаграмме мы можем видеть, что выход постоянного тока Vo от диода дает чистую среднюю положительную область над осью для полного цикла входа, которую можно определить по формуле:

В = 0.318 Вм (полуволна)

Напряжения на входе vi и выходе vo во время процесса полуволнового диодного выпрямления представлены на следующем рисунке:

Из приведенных выше диаграмм и пояснений мы можем определить полуволновое выпрямление как процесс в котором половина входного цикла устраняется диодом на его выходе.

Использование кремниевого диода

Когда кремниевый диод используется в качестве выпрямительного диода, поскольку он имеет прямую характеристику падения напряжения VT = 0.7 В, он создает область прямого смещения, как показано на следующем рисунке:

VT = 0,7 В означает, что теперь входной сигнал должен быть не менее 0,7 В для обеспечения успешного включения диода. В случае, если входное напряжение VT меньше 0,7 В, диод просто не включится, и диод продолжит находиться в режиме разомкнутой цепи с Vo = 0 В.

Пока диод проводит ток во время процесса выпрямления, он генерирует выход постоянного тока, который передает фиксированный уровень напряжения для разности напряжений vo — vi, равный вышеупомянутому прямому падению 0.7 В. Этот фиксированный уровень можно выразить следующей формулой:

vo = vi — VT

Это приводит к уменьшению среднего выходного напряжения над осью, вызывая небольшое чистое уменьшение выпрямленного выхода диода.

Ссылаясь на приведенный выше рисунок, если мы считаем, что Vm (пиковый уровень сигнала) достаточно высок, чем VT, так что Vm >> VT, мы можем довольно точно оценить среднее значение постоянного тока на выходе диода, используя следующую формулу. .

В постоянного тока ≅ 0.318 (Vm — VT)

Точнее, если пик входного переменного тока значительно выше, чем VT (прямое падение) диода, то мы можем просто использовать предыдущую формулу для оценки выпрямленного постоянного тока на выходе диода:

Vdc = 0,318 Вм

Решенный пример для полумостового выпрямителя

Проблема:

Оцените выход vo и найдите величину постоянного тока на выходе для схемы, показанной ниже:

Решение: Для указанной выше схемы диод загорится для отрицательной части входного сигнала, и vo будет таким, как показано на следующем рисунке.

Для полного периода входного цикла переменного тока выход постоянного тока будет:

В постоянного тока = 0,318 Вм = — 0,318 (20 В) = — 6,36 В

Отрицательный знак указывает полярность выходного постоянного тока, которая противоположна знаку на схеме под проблемой.

Проблема № 2: Решите указанную выше проблему, считая, что диод является кремниевым диодом.

В случае кремниевого диода форма выходного сигнала будет выглядеть следующим образом:

И выходной постоянный ток можно рассчитать, как описано ниже:

В постоянного тока ≅ — 0.318 (В · м — 0,7 В) = — 0,318 (19,3 В) ≅ — 6,14 В

Падение выходного постоянного напряжения из-за фактора 0,7 В составляет около 0,22 В или примерно 3,5%

Полнополупериодное выпрямление

Когда синусоидальный сигнал переменного тока используется в качестве входа для выпрямления, выход постоянного тока может быть улучшен до 100% уровня с помощью процесса двухполупериодного выпрямления.

Наиболее известный и простой способ достижения этого — использование схемы выпрямительного моста с 4 диодами, как показано ниже.

Когда цикл положительного входа проходит через период от t = 0 до T / 2, полярность входного сигнала переменного тока через диод и выходного сигнала диода представлены ниже:

Здесь мы можем видеть, что из-за особое расположение диодной сети в мосте, когда D2, D3 проводят, противоположные диоды D1, D4 остаются смещенными в обратном направлении и в выключенном состоянии.

Чистый выходной постоянный ток, генерируемый этим процессом выпрямления через D2, D3, можно увидеть на приведенной выше диаграмме. Поскольку мы представляли себе диоды идеальными, на выходе получается vo = vin.

Теперь аналогично для отрицательного полупериода входного сигнала диоды D1, D4 и D2, D3 переходят в состояние ВЫКЛ, как показано ниже:

Мы можем ясно видеть, что выход мостового выпрямителя преобразовался как положительный, так и отрицательный полупериоды входного переменного тока в два полупериода постоянного тока выше центральной оси.

Поскольку эта область над осью теперь в два раза больше, чем область, полученная для полуволнового выпрямления, выходной постоянный ток также станет в два раза больше, как вычислено по следующей формуле:

В = 2 (0,318 Вм)

или

В = 0,636 Вм (двухполупериодный)

Как показано на приведенном выше рисунке, если вместо идеального диода используется кремниевый диод, применение закона Кирхгофа по напряжению по линии проводимости даст нам следующий результат:

vi — VT — vo — VT = 0 и vo = vi — 2VT,

Следовательно, пиковое значение выходного напряжения vo будет:

Vomax = Vm — 2VT

В ситуации, когда V >> 2VT, мы можем использовать наше предыдущее уравнение для получения среднего значения с достаточно высокой степенью точности:

Vdc ≅ — 0.636 (Vm — 2VT),

И снова, если у нас Vm значительно выше, чем 2VT, 2VT можно просто проигнорировать, и уравнение может быть решено как:

Vdc ≅ — 0,636 (Vm)

PIV (Peak Inverse Voltage)

Пиковое обратное напряжение или номинальное значение (PIV), которое также иногда называют рейтингом пикового обратного напряжения (PRV) диода, становится решающим параметром при проектировании схем выпрямителя.

В основном это диапазон напряжения обратного смещения диода, который нельзя превышать, в противном случае диод может выйти из строя, перейдя в область, называемую областью лавинного стабилитрона.

Если мы применим закон напряжения Кирхгофа к схеме однополупериодного выпрямителя, как показано ниже, это просто объясняет, что рейтинг PIV диода должен быть выше, чем пиковое значение входа питания, используемого для входа выпрямителя.

Для полного мостового выпрямителя расчет PIV-рейтинга такой же, как и для полуволнового выпрямителя, то есть:

PIV ≥ Vm, поскольку Vm — это полное напряжение, приложенное к подключенной нагрузке, как показано на следующем рисунке.

Решенные примеры для сети полного мостового выпрямителя

Определите форму выходного сигнала для следующей диодной сети, а также рассчитайте уровень выходного постоянного тока и безопасный PIV для каждого диода в сети.

Решение: Для положительного полупериода схема будет вести себя, как показано на следующей диаграмме:

Мы можем перерисовать это следующим образом для лучшего понимания:

Здесь vo = 1 / 2vi = 1 / 2Vi (макс.