Как найти напряжение на выходе выпрямителя

Выпрямитель. Казалось бы, что может быть проще? Основные схемы выпрямителей (без умножения напряжения) известны давно и во всех подробностях.

Схемы выпрямления могут использоваться не только с трансформатором, но и без трансформатора (кроме схемы со средней точкой).

Данная статья носит по большей части описательный и теоретический характер. И рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто не имеет профильного образования, но хочет получше узнать о процессах происходящих в выпрямителе при различных условиях работы. Профессионалам и студентам радиотехнических и электротехнических специальностей ВУЗов она будет не интересна. Практические методики расчета выпрямителей я приведу в следующей статье, которая будет сугубо практической.

Сначала рассмотрим, как эти схемы выпрямителей работают на активную нагрузку. Рассмотрение будет довльно кратким, так это, действительно хорошо известно. Затем рассмотрю работу выпрямителя (мостовую схему) на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки. Это соответствует двум способам сглаживания, уменьшения пульсаций, выпрямленного напряжения. Не обойду стороной и влияние сопротивления источника на работу выпрямителя.

Но сначала напомню пару общих моментов. Коэффициент пульсаций Кп на выходе выпрямителя определяется как отношение амплитуда первой (основной) гармоники U1 к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

Постоянная составляющая U0 выпрямленного напряжения представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т

Все временные диаграммы в статье, для упрощения, получены на симуляторе TINA версии 9.3.200.277 SF-TI, а не сняты осциллографом с реальных схем.

Однополупериодный выпрямитель

В течении положительной полуволны входного переменного напряжения диод открыт и напряжение на нагрузке равно по величине входному напряжению, за вычетом падения напряжения на диоде, и совпадает с ним по форме. В течении обратной полуволны диод закрыт и напряжение на нагрузке можно считать нулевым.

На этой иллюстрации входное напряжение показано фиолетовом цветом, его амплитуда 10 В, а частота 50 Гц. Выпрямленное напряжение показано синим цветом. Хорошо видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше, чем входного. Однако, здесь не видно одной тонкости. Диод открыт только когда к нему приложено достаточное напряжение (разное для Si и Ge). Я увеличил этот момент, что бы было видно. Линейный участок на графике выпрямленного напряжения, при приближении к нулевому уровню, не ошибка моделирования. Он отражает процесс, в данном случае, закрывания диода.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диоде

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение, а не действующее. Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как выходное напряжение отлично от 0 только в течении половины периода.

Коэффициент пульсаций Kп=1.57. Вывод амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения я оставлю за скобками, так как это уже упражнение в математике и к теме статьи отношения не имеет.

Обратите внимание, что к диоду в закрытом состоянии прикладывается полное амплитудное напряжение. Например, для привычного действующего напряжения 220 В бытовой сети переменного тока амплитудное составит 310 В.

Кроме больших пульсаций выпрямленного напряжения однополупериодная схема обладает еще одним недостатком – она создает подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током, так как ток в обмотке протекает только в одном направлении. И это надо учитывать при расчете трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Фактически, является объединением двух однополупериодных выпрямителей, входной сигнал которых сдвинут на половину периода за счет использования вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки. Диоды в этой схеме открываются поочередно, каждый в свою половину периода.

Параметры входного напряжения и цвета кривых точно такие же, как и для однополупериодного выпрямителя. Хорошо видно, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте выходного переменного напряжения. Видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше амплитуды входного из-за падения напряжения на диодах, как и для однополупериодного выпрямителя. Я не буду приводить увеличенного участка диаграммы, что бы показать моменты открывания и закрывания диодов. Тут все в точности, как и в однополупериодном выпрямителе.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы, без учета падения напряжения на диодах.

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора. Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как каждый из диодов открыт только половину периода. Коэффициент пульсаций Кп=0.67.

Двухполупериодная схема обеспечивает в два раза меньшие пульсации выпрямленного напряжения и исключает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, но имеет два существенных недостатка. Во первых, в два раза увеличиваются затраты на изготовление вторичной обмотки, да и места она занимает в два раза больше. Во вторых, к закрытому диоду приложено удвоенное амплитудное напряжение.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Очень популярная схема выпрямителя. Входное переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а выпрямленное снимается с другой

Временная диаграмма работы мостового выпрямителя похожа на диаграмму для двухполупериодного со средней точкой. Но в мостовой схеме ток нагрузки протекает через два диода, поэтому амплитуда выпрямленного напряжения меньше. И это хорошо видно на иллюстрации.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диодах, такая же, как для схемы со средней точкой

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент пульсаций Кп=0.67.

К закрытым диодам в мостовой схеме приложено полное амплитудное напряжение. Мостовая схема не подмагничивает сердечник трансформатора (если он используется) постоянным током и не требует дополнительных затрат на вторичную обмотку. Но в ней используется в два раза больше диодов, чем в схеме со средней точкой. И потери на диодах в два раза больше.

Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

Работа выпрямителя на активную нагрузку встречается не часто. Давайте сначала посмотрим, что изменится, если нагрузка активно-индуктивная. Например, обмотка реле, или последовательно с активной нагрузкой включен сглаживающий дроссель. Для краткости я буду рассматривать лишь мостовую схему.

Сначала приведу временные диаграммы для напряжений

Здесь коричневым цветом показано напряжение на активной составляющей нагрузки, Rн, а синим напряжение на выходе выпрямителя, то есть, на последовательно включенных Lн и Rн.

А теперь диаграммы токов

Здесь зеленым цветом показан ток в нагрузке (Lн+Rн). А красным ток во вторичной обмотке трансформатора, то есть, входной ток выпрямителя с нагрузкой. Там, где красная линия пропадает, она совпадает с зеленой. На значения токов можно не обращать внимания, но если кому то интересно, то для моделирования выбрано сопротивление нагрузки 10 Ом и индуктивность 20 мГн.

Интересная картина, правда? Почему же так получилось? Во время положительного полупериода входного напряжения открыты диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрыты. Когда полярность входного напряжения меняется диоды VD1 и VD4 закрываются, а VD2 и VD3 открываются. Но при этом ток в нагрузке сохраняет прежнее направление.

Если нагрузка активная, то ток в ней повторяет по форме напряжение, а ток вторичной обмотки, входной ток выпрямителя, имеет синусоидальную форму.

Однако, наличие индуктивности препятствует изменению тока и ток нагрузки будет отставать от напряжения. Кроме того, пульсации тока будут сглаживаться, что видно на графике токов (зеленая линия). Если реактивное сопротивление индуктивности большое, примерно XL=ωпLн>10Rн (ωп частота пульсаций), ток нагрузки можно считать постоянным (пульсации отсутствуют), а следовательно и напряжение на активной составляющей нагрузки постоянно. При этом ток через диоды и ток вторичной обмотки трансформатора принимают практически прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке длительность проводящего состояния диодов равна длительности полупериода входного переменного напряжения.

Если принять потери в индуктивности нулевыми, ток нагрузки идеально сглаженным, то напряжение на активном сопротивлении нагрузки будет равно постоянной составляющей выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы выпрямителя. При этом к закрытым диодам прикладывается полное амплитудное входное напряжение, как и в обычной мостовой схеме.

Таким образом, индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя можно использовать для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Однако, форма входного тока в таком случае не будет синусоидальной.

Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку

Это гораздо более часто встречающийся случай. Почти всегда пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются подключенным параллельно нагрузке конденсатором

Давайте посмотрим на напряжения и токи в этом случае. Я приведу две диаграммы одну за другой. Сначала напряжения, затем входной ток выпрямителя

Как всегда, фиолетовая линия показывает входное напряжение выпрямителя, а синяя линия выпрямленное напряжение.

Хорошо видно, что входной ток выпрямителя, как и в случае активно-индуктивной нагрузки, перестал быть синусоидальным. Только теперь стремится не к прямоугольной, а к треугольной форме. В чем же дело в том случае?

В случае работы выпрямителя на емкостную нагрузку диоды будут открываться только тогда, когда входное напряжение превысит напряжение на конденсаторе. При этом, в начальный момент времени, амплитуда тока будет определяться разностью входного напряжения и напряжения на конденсаторе приложенной к сумме сопротивлений диодов и приведенного суммарного сопротивления обмоток трансформатора. А если трансформатора нет, то только к сопротивлению диодов. По мере заряда конденсатора и изменения напряжения на входе выпрямителя ток будет спадать. Когда входное напряжение станет ниже напряжения на конденсаторе диоды закроются и конденсатор начнет разряжаться на нагрузку.

Амплитудное значение тока тока через диоды из-за малого времени открытого состояния может значительно (обычно до 10 раз) превосходить среднее значение. При включении выпрямителя, когда емкость нагрузки разряжена, амплитуда тока может быть очень большой, поэтому может потребоваться использовать дополнительное сопротивление для ограничения броска тока.

Чем больше постоянная времени цепи разряда конденсатора, тем меньше пульсации выходного напряжения. Однако, форма входного тока в этом случае значительно отличается от синусоидальной. При этом амплитудное значение тока может быть весьма значительным, однако длительность этого пика мала.

Влияние сопротивления источника на работу выпрямителя

Во всех описанных выше случаях предполагалось, что источник напряжения, к которому подключен выпрямитель, обладает низким внутренним сопротивлением. А в случае трансформатора, что он способен отдать любой достаточный ток. Но что будет, если внутренне сопротивление источника не столь мало? Рассматривать эту ситуацию я буду на примере однополупериодного выпрямителя.

Здесь Rи это сопротивление источника или балластного резистора. Для определенности примем, что сопротивление нагрузки 1 кОм, а емкость конденсатора 100 мкФ. Сначала установим малое сопротивление источника, например, 1 Ом

Здесь зеленым цветом показано входное напряжение выпрямителя, а красным напряжение на нагрузке. Хорошо видно, что максимальное (пиковое) напряжение на нагрузке почти равно амплитудному значению входного напряжения и составляет 9.5 В. Разница объясняется падением напряжения на диоде.

А теперь увеличим сопротивление источника до 100 Ом, что составляет 10% от сопротивления нагрузки. Можно ожидать, что максимальное напряжение на нагрузке снизится тоже примерно на 10%, так как Rи и Rн образуют делитель напряжения. Однако

Сюрприз! Напряжение снизилось значительно сильнее и его максимальное значение составило всего 6.5 В вместо 9.5 В. В чем же дело? Давайте вспомним, что я писал о работе выпрямителя на активно-емкостную нагрузку. Начальная амплитуда тока заряда емкости, в каждый полупериод, определяется сопротивлением диодов, обмоток трансформатора и напряжением на конденсаторе (точнее, разницей входного напряжения и напряжения на конденсаторе). Если немного перефразировать, то получится, что начальная амплитуда тока заряда емкости определяется напряжением на конденсаторе и сопротивлением источника.

Вот мы и подошли к самому главному, к влиянию сопротивления источника. Если присмотреться внимательно, то напряжение на конденсаторе будет определяться скоростью заряда и скоростью разряда. Или, постоянной времени цепи заряда и постоянной времени цепи разряда. А мы увеличили постоянную времени заряда в 100 раз, что и оказало гораздо более значимое влияние, чем получившийся делитель (10%), на напряжение на конденсаторе.

Для двухполупериодного выпрямителя влияние сопротивления источника будет немного меньше, так как конденсатор подзаряжается два раза за период, а не один.

Ситуация с влиянием сопротивления источника показывает, что нужно понимать происходящие в схемах процессы. Хотя мозг иногда срабатывает “на автомате”, упуская из виду значимые детали процессов в виду кажущейся шаблонности анализируемой схемы.

И я сам попался на эту уловку мозга допустив ошибку в анализе двух схем в статье Ругать или предлагать анализ и решение? О критике старых электронных схем, не обратив внимание на то, что сопротивление балластного резистора уже не позволяло его игнорировать. В той статье я сохранил ошибочный вариант указав верный в примечаниях в тексте сразу после ошибки. Что бы наглядно показать читателям, сколь легко допустить глупую ошибку буквально на ровном месте.

Заключение

В данной статье я постарался показать процессы в выпрямителях при работе на разные нагрузки, но так, что бы это было наглядно и понятно начинающим и не специалистам. Математики в статье мало и она очень простая. В следующей статье я приведу практические методики расчета.

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_U
U_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

Электроника

учебно-справочное пособие

Расчет выпрямителей напряжения

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.

Однополупериодный выпрямитель

Рис. 1 — Диаграмма напряжений однополупериодного выпрямителя

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами (рис. 1). 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:

Достоинства схемы — простота 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

Рис. 2 — Диаграмма напряжений схемы выпрямителя 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:

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.

Мостовая схема выпрямителя

Рис. 3 — Схема мостового выпрямителя

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.

Достоинство — не нужен трансформатор со средней точкой.

Трехфазный выпрямитель

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

Рис. 4 — Схема и диаграммы напряжений трехфазного однополупериодного выпрямителя

Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Двухполупериодный трехфазный выпрямитель

Рис. 5 — Схема двухполупериодного трехфазного выпрямителя

По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно:

Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за несимметричности фазных питающих напряжений.

Источники:

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2019

Источник

Расчет выпрямителя

Поскольку в преобладающем большинстве конструкций блоков питания используется двухполупериодный выпрямитель, диоды которого включены по мостовой схеме (рис. 1), о выборе его элементов здесь и пойдет разговор. Рассчитать выпрямитель — значит правильно выбрать выпрямительные диоды и конденсатор фильтра, а также определить необходимое переменное напряжение, снимаемое для выпрямления с вторичной обмотки сетевого трансформатора. Исходными данными для расчета выпрямителя служат: требуемое напряжение на нагрузке (U н ) и потребляемый ею максимальный ток (I н ) .

Расчет ведут в таком порядке:

1. Определяют переменное напряжение, которое должно быть на вторичной обмотке сетевого трансформатора:

где: U н — постоянное напряжение на нагрузке, В;
В — коэффициент, зависящий от тока нагрузки, который определяют по табл. 1.

Коэффициент	Ток нагрузки, А
0,1	0,2	0,4	0,6	0,8	1,0
В	0,8	1,0	1,9	1,4	1,5	1,7
С	2,4	2,2	2,0	1,9	1,8	1,8

2. По току нагрузки определяют максимальный ток, текущий через каждый диод выпрямительного моста:

где: I д — ток через диод, А;
I н — максимальный ток нагрузки, А;
С — коэффициент, зависящий от тока нагрузки (определяют по табл. 1).

3. Подсчитывают обратное напряжение, которое будет приложено к каждому диоду выпрямителя:

где: U обр — обратное напряжение, В;
U н — напряжение на нагрузке, В.

4. Выбирают диоды, у которых значения выпрямленного тока и допустимого обратного напряжения равны или превышают расчетные.

5. Определяют емкость конденсатора фильтра:

где: С ф — емкость конденсатора фильтра, мкФ;
I н — максимальный ток нагрузки. A;
U н — напряжение на нагрузке, В;
K п — коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (отношение амплитудного значения переменной составляющей частотой 100 Гц на выходе выпрямителя к среднему значению выпрямленного напряжения).

Источник

Как найти выпрямленное значение напряжения

Как и обычно, в силовой электронике и электротехнике однофазное подключение нагрузок применяется при сравнительно малых мощностях. С увеличением уровня мощности используются трехфазные схемы.

Трехфазная схема выпрямителя со средней точкой изображена на рис. 4.1. В схему входит трансформатор с вторичными обмотками, соединенными звездой. Первичные обмотки соединяются звездой или треугольником. Пусть выпрямитель идеализированный, нагрузка активная.

Диоды схемы работают попеременно в течение одной трети периода переменного напряжения. В какой-либо момент времени проводит ток тот диод, потенциал анода которого по отношению к нулевой точке трансформатора выше, чем у других диодов. Переход тока с диода на диод происходит в моменты, соответствующие точкам пересечения синусоид фазных напряжений. Отсюда следует, что кривая выпрямленного напряжения схемы u d может быть получена как огибающая синусоид фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения определяется на периоде повторяемости процессов в цепи нагрузки (т.е. на интервале 2 π 3 ):

U d = 1 2 π / 3 ∫ − π 3 π 3 2 ⋅ U 2 cos ⁡ v d v = 3 6 2 π U 2 = 1,17 U 2 .

Амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения здесь меньше, чем в схеме однофазного выпрямителя со средней точкой, а частота переменной составляющей в три раза больше частоты переменного напряжения.

К каждому из диодов на интервале закрытого состояния через соответствующий открытый диод прикладывается линейное напряжение вторичных обмоток трансформатора. Например, к диоду VD1 на интервале открытого состояния диода VD2 прикладывается напряжение U 2 A − U 2 B , а на интервале открытого состояния диода VD3 — напряжение U 2 A − U 2 C . Наибольшее значение обратного напряжения равно амплитуде линейного напряжения.

Токи диодов будут одновременно и токами вторичных обмоток трансформатора. Серьезным недостатком схемы является, подобно и схеме однофазного однополупериодного выпрямителя, вынужденное намагничивание сердечника трансформатора. Во избежание насыщения из-за вынужденного намагничивания приходится увеличивать сечение магнитопровода, что приводит к завышению массо-габаритных показателей трансформатора.

Поток вынужденного намагничивания может быть исключен введением дополнительных обмоток (т.е. усложнением трансформатора) на вторичной стороне и соединением вторичных обмоток зигзагом. Однако лучшие результаты дает применение трехфазной мостовой схемы, не имеющей потока вынужденного намагничивания и обладающей рядом других преимуществ.

Совместив, подобно схеме на рис. 3.1, в, два выпрямителя, получим двухполярный выпрямитель, как показано на рис. 4.2.

Рис. 4.2 — Совмещение двух выпрямителей со средней точкой

Между точками а и b будет сформировано удвоенное выпрямленное напряжение. При подключении нагрузки к указанным точкам и отключении нулевого вывода вторичных обмоток трансформатора получим трехфазную мостовую схему выпрямления, приведенную на рис. 4.3.

Таким образом, для обеспечения одинакового значения выпрямленного напряжения в трехфазной мостовой схеме требуется вдвое меньшее значение напряжения вторичных обмоток трансформатора, чем в трехфазной схеме выпрямления со средней точкой.

Верхнюю группу диодов схемы (см. рис. 4.3) принято называть катодной, а нижнюю — анодной.

В мостовом выпрямителе одновременно пропускают ток два диода: один с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Временные диаграммы работы диодов приведены на рис. 4.3. На схеме нумерация диодов соответствует последовательности их вступления в работу. Так, например, на интервале v 1 − v 2 , ток пропускают диоды VD1, VD6, на интервале v 2 − v 3 — диоды VD1, VD2 и т.д.

На интервале v 1 − v 2 выпрямленное напряжение определяется разностью фазных напряжений u 2 A и u 2 B , на интервале v 2 − v 3 — u d = u 2 A − u 2 C и т.д. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации переменной составляющей, хотя угол проводимости каждого диода такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой. Амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения наименьшая из всех рассмотренных выпрямителей.

В трехфазном мостовом выпрямителе нет вынужденного намагничивания сердечника трансформатора, так как ток в каждой вторичной обмотке протекает дважды за период, причем в противоположных направлениях.

Обратное напряжение, прикладываемое к диодам в закрытом состоянии, по форме повторяет обратное напряжение диодов в выпрямителе со средней точкой, но по величине оно в два раза меньше (при равных значениях выпрямленного напряжения).

В управляемых трехфазных выпрямителях угол управления α отсчитывается от точек естественной коммутации (от точек пересечения фазных напряжений). Схема управляемого выпрямителя со средней точкой приведена на рис. 4.4, а. На рис. 4.4, б, в показаны кривые выпрямленного напряжения u d для режима работы на активную нагрузку при двух различных углах управления. Естественно, что при этом кривая тока нагрузки повторяет по форме кривую выпрямленного напряжения.

Имеются две характерные области управления. Первая находится в диапазоне 0 α π 6 и характеризуется режимом непрерывного выпрямленного тока (см. рис. 4.4, б), а вторая начинается при углах α > π 6 , причем в кривой выпрямленного тока в этом случае возникают паузы, в течение которых мгновенные выпрямленные токи равны нулю (см. рис. 4.4, в).

Среднее выпрямленное напряжение для первой области регулирования определяется следующим образом:

Каждый тиристор схемы работает треть периода. Во второй области регулирования ( α > π 6 ) ток через тиристор обрывается при прохождении мгновенного выпрямленного напряжения через нуль. Длительность прохождения тока через тиристор меньше одной трети периода на величину α − π 6 .

Среднее выпрямленное напряжение в этом случае рассчитывается иначе:

Верхний предел интегрирования берется равным π по той причине, что далее следует интервал, где мгновенное выпрямленное напряжение равно нулю.

Как видно из (4.2), для трехфазной схемы со средней точкой при активной нагрузке предельным углом управления (при котором U d = 0 ) является угол 150°.

При работе на активно-индуктивную нагрузку ( L d → ∞ ) ток через каждый тиристор протекает всегда одну треть периода и имеет форму прямоугольника. Переход тока с тиристора на тиристор происходит в момент подачи отпирающего импульса на очередной вступающий в работу тиристор. Как видно из рис. 4.4, г, кривая выпрямленного напряжения для углов управления α π 6 ничем не отличается от случая работы схемы на активную нагрузку. При углах управления α > π 6 , как показано на рис. 4.4, г, в кривой выпрямленного напряжения появляются интервалы, когда u d принимает отрицательные значения. В результате при L d → ∞ предельный угол управления равен 90°, а выпрямленное напряжение при любом значении α определяется по (4.1).

Схема трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведена на рис. 4.5, а. На рис. 4.5, б, в изображены диаграммы фазных напряжений вторичных обмоток трансформатора и кривые выпрямленного напряжения для трех значений угла управления при работе схемы на активную нагрузку ( L d = 0 ).

На рис. 4.5, б штриховкой показаны выпрямленные напряжения тиристорами анодной и катодной групп (относительно общей точки вторичных обмоток трансформатора), а на рис. 4.5, в — собственно кривая выпрямленного напряжения схемы для α = 30, 60 и 90°.

Следует отметить, что для обеспечения работоспособности схемы необходимо управлять тиристорами импульсами шириной более 60° или соответствующими сдвоенными импульсами. Это объясняется тем, что при использовании одиночных импульсов с шириной меньше 60° не обеспечивается пуск выпрямителя, так как не могут включиться одновременно два тиристора в анодной и катодной группах. Кроме того, при углах управления α > 60° в кривой выпрямленного напряжения и тока появляются паузы, и, следовательно, необходимо одновременно с подачей управляющего импульса на очередной вступающий в работу тиристор подать повторный импульс на соответствующий тиристор в противоположной группе или же использовать импульсы с длительностью более 60° (порядок вступления тиристоров в работу здесь такой же, как и диодов на рис. 4.3).

Кривая выпрямленного напряжения и тока при изменении угла управления от 0 до 60° непрерывна. При углах управления более 60° выпрямленный ток прерывистый. Таким образом, при активной нагрузке мостовая схема, также как и схема со средней точкой, имеет два качественно отличных режима работы.

Для первого режима ( 0 α π 3 ) среднее выпрямленное напряжение может быть найдено следующим образом:

Для второго режима ( α > π 3 ) среднее выпрямленное напряжение равно:

Из (4.4) следует, что U d становится равным нулю при α = 120 ° . Это значение угла управления и является максимальным при активной нагрузке.

В случае активно-индуктивной нагрузки ( L d → ∞ ) длительность проводящего состояния тиристоров всегда составляет одну треть периода и поэтому при α > 60 ° в кривой выпрямленного напряжения появляются отрицательные участки (аналогично другим схемам выпрямления, рассмотренным выше). Выпрямленное напряжение при этом для всего диапазона регулирования определяется по формуле (4.3), а максимальный угол управления составляет величину 90°.

Рассчитанные по (4.3) и (4.4) регулировочные характеристики трехфазного мостового управляемого выпрямителя приведены на рис. 4.6.

Как видно из графиков, в первой половине полного диапазона регулирования характеристика от типа нагрузки не зависит.

Необходимые для проектирования одно- и трехфазных выпрямителей расчетные соотношения сведены в табл. 3. Хотя соотношения определены для неуправляемых выпрямителей, они пригодны и для управляемых, т.к. при крайнем значении угла управления (α = 0) управляемый выпрямитель ничем не отличается от неуправляемого. Только коэффициент пульсаций при α ≠ 0 увеличивается по сравнению с данными табл. 2.

Таблица 3 — Основные расчетные соотношения для неуправляемых идеализированных (т.е. без потерь) выпрямителей при синусоидальном входном напряжении

Источник

Выпрямители. Как и почему.

Автор:
Опубликовано 20.04.2006

Итак, дорогие мои, мы собрали нашу схемку и пришло время ее проверить, испытать и нарадоваться сему щастью. На очереди у нас — подключение схемы к источнику питания. Приступим. На батарейках, аккумуляторах и прочих прибамбасах питания мы останавливаться не будем, перейдем сразу к сетевым источникам питания. Здесь рассмотрим существующие схемы выпрямления, как они работают и что умеют. Для опытов нам потребуется однофазное (дома из розетки) напряжение и соответствующие детальки. Трехфазные выпрямители используются в промышленности, мы их рассматривать также не будем. Вот электриками вырастете — тогда пжалста.

Источник питания состоит из нескольких самых важных деталей: Сетевой трансформатор — на схеме обозначается похожим как на рисунке,

Выпрямитель — его обозначение может быть различным. Выпрямитель состоит из одного, двух или четырех диодов, смотря какой выпрямитель. Сейчас будем разбираться.

а) — простой диод.
б) — диодный мост. Состоит из четырех диодов, включенных как на рисунке.
в) — тот же диодный мост, только для краткости нарисован попроще. Назначения контактов такие же, как у моста под буквой б).

Конденсатор фильтра. Эта штука неизменна и во времени, и в пространстве, обозначается так:

Обозначений у конденсатора много, столько же, сколько в мире систем обозначений. Но в общем они все похожи. Не запутаемся. И для понятности нарисуем нагрузку, обозначим ее как Rl — сопротивление нагрузки. Это и есть наша схема. Также будем обрисовывать контакты источника питания, к которым эту нагрузку мы будем подключать.

Далее — пара-тройка постулатов.
— Выходное напряжение определяется как Uпост = U*1.41. То есть если на обмотке мы имеем 10вольт переменного напряжения, то на конденсаторе и на нагрузке мы получим 14,1В. Примерно так.
— Под нагрузкой напряжение немного проседает, а насколько — зависит от конструкции трансформатора, его мощности и емкости конденсатора.
— Выпрямительные диоды должны быть на ток в 1,5-2 раза больше необходимого. Для запаса. Если диод предназначен для установки на радиатор (с гайкой или отверстие под болт), то на токе более 2-3А его нужно ставить на радиатор.

Так же напомню, что же такое двуполярное напряжение. Если кто-то подзабыл. Берем две батарейки и соединяем их последовательно. Среднюю точку, то есть точку соединения батареек, назовем общей точкой. В народе она известна так же как масса, земля, корпус, общий провод. Буржуи ее называют GND (ground — земля), часто ее обозначают как 0V (ноль вольт). К этому проводу подключаются вольтметры и осциллографы, относительно нее на схемы подаются входные сигналы и снимаются выходные. Потому и название ее — общий провод. Так вот, если подключим тестер черным проводом в эту точку и будем мерить напряжение на батарейках, то на одной батарейке тестер покажет плюс1,5вольта, а на другой — минус1,5вольта. Вот это напряжение +/-1,5В и называется двуполярным. Обе полярности, то есть и плюс, и минус, обязательно должны быть равными. То есть +/-12, +/-36В, +/-50 и т.д. Признак двуполярного напряжения — если от схемы к блоку питания идут три провода (плюс, общий, минус). Но не всегда так — если мы видим, что схема питается напряжением +12 и -5, то такое питание называется двухуровневым, но проводов к блоку питания будет все равно три. Ну и если на схему идут целых четыре напряжения, например +/-15 и +/-36, то это питание назовем просто — двуполярным двухуровневым.

Ну а теперь к делу.

1. Мостовая схема выпрямления.
Самая распространенная схема. Позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Схема обладает минимальными пульсациями напряжения и несложная в конструкции.

2. Однополупериодная схема.
Так же, как и мостовая, готовит нам однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Разница лишь в том, что у этой схемы удвоенные пульсации по сравнению с мостовой, но один диод вместо четырех сильно упрощает схему. Используется при небольших токах нагрузки, и только с трансформатором, много большим мощности нагрузки, т.к. такой выпрямитель вызывает одностороннее перемагничивание трансформатора.

3. Двухполупериодная со средней точкой.
Два диода и две обмотки (или одна обмотка со средней точкой) будут питать нас малопульсирующим напряжением, плюс ко всему мы получим меньшие потери в сравнении с мостовой схемой, потому что у нас 2 диода вместо четырех.

4. Мостовая схема двуполярного выпрямителя.
Для многих — наболевшая тема. У нас есть две обмотки (или одна со средней точкой), мы с них снимаем два одинаковых напряжения. Они будут равны, пульсации будут малыми, так как схема мостовая, напряжения на каждом конденсаторе считается как напряжение на каждой обмотке помножить на корень из двух — всё, как обычно. Провод от средней точки обмоток выравнивает напряжения на конденсаторах, если нагрузки по плюсу и по минусу будут разными.

5. Схема с удвоением напряжения.
Это две однополупериодные схемы, но с диодами, включенными по разному. Применяется, если нам надо получить удвоенное напряжение. Напряжение на каждом конденсаторе будет определяться по нашей формуле, а суммарное напряжение на них будет удвоенным. Как и у однополупериодной схемы, у этой так же большие пульсации. В ней можно усмотреть двуполярный выход — если среднюю точку конденсаторов назвать землей, то получается как в случае с батарейками, присмотритесь. Но много мощности с такой схемы не снять.

6. Получение разнополярного напряжения из двух выпрямителей.
Совсем не обязательно, чтобы это были одинаковые блоки питания — они могут быть как разными по напряжению, так и разными по мощности. Например, если наша схема по +12вольтам потребляет 1А, а по -5вольтам — 0,5А, то нам и нужны два блока питания — +12В 1А и -5В 0,5А. Так же можно соединить два одинаковых выпрямителя, чтобы получить двуполярное напряжение, например, для питания усилителя.

7. Параллельное соединение одинаковых выпрямителей.
Оно нам дает то же самое напряжение, только с удвоенным током. Если мы соединим два выпрямителя, то у нас будет двойное увеличение тока, три — тройное и т.д.

Ну а если вам, дорогие мои, всё понятно, то задам, пожалуй, домашнее задание. Формула для расчета емкости конденсатора фильтра для двухполупериодного выпрямителя:

Для однополупериодного выпрямителя формула несколько отличается:

Двойка в знаменателе — число «тактов» выпрямления. Для трехфазного выпрямителя в знаменателе будет стоять тройка.

Во всех формулах переменные обзываются так:
Cф — емкость конденсатора фильтра, мкФ
Ро — выходная мощность, Вт
U — выходное выпрямленное напряжение, В
f — частота переменного напряжения, Гц
dU — размах пульсаций, В

Для справки — допустимые пульсации:
Микрофонные усилители — 0,001. 0,01%
Цифровая техника — пульсации 0,1. 1%
Усилители мощности — пульсации нагруженного блока питания 1. 10% в зависимости от качества усилителя.

Эти две формулы справедливы для выпрямителей напряжения частотой до 30кГц. На бОльших частотах электролитические конденсаторы теряют свою эффективность, и выпрямитель рассчитывается немного не так. Но это уже другая тема.

Источник

Как сделать выпрямитель и простейший блок питания

Выпрямитель — это устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное. Это одна из самых часто встречающихся деталей в электроприборах, начиная от фена для волос, заканчивая всеми типами блоков питания с выходным напряжением постоянного тока. Есть разные схемы выпрямителей и каждая из них в определённой мере справляется со своей задачей. В этой статье мы расскажем о том, как сделать однофазный выпрямитель, и зачем он нужен.

Определение

Выпрямителем называется устройство, предназначенное для преобразования переменного тока в постоянный. Слово «постоянный» не совсем корректно, дело в том, что на выходе выпрямителя, в цепи синусоидального переменного напряжения, в любом случае окажется нестабилизированное пульсирующие напряжение. Простыми словами: постоянное по знаку, но изменяющееся по величине.

Различают два типа выпрямителей:

Однополупериодный. Он выпрямляет только одну полуволну входного напряжения. Характерны сильные пульсации и пониженное относительно входного напряжение.

Двухполупериодный. Соответственно, выпрямляется две полуволны. Пульсации ниже, напряжение выше чем на входе выпрямителя – это две основных характеристики.

Что значит стабилизированное и нестабилизированное напряжение?

Стабилизированным называется напряжение, которое не изменяется по величине независимо ни от нагрузки, ни от скачков входного напряжения. Для трансформаторных источников питания это особенно важно, потому что выходное напряжение зависит от входного и отличается от него на Ктрансформации раз.

Нестабилизированное напряжение – изменяется в зависимости от скачков в питающей сети и характеристик нагрузки. С таким блоком питания из-за просадок возможно неправильное функционирование подключенных приборов или их полная неработоспособность и выход из строя.

Выходное напряжение

Основные величины переменного напряжения — амплитудное и действующее значение. Когда говорят «в сети 220В переменки» имеют в виду действующее напряжение.

Если говорят об амплитудной величине, то имеют в виду, сколько вольт от нуля до верхней точки полуволны синусоиды.

Опустив теорию и ряд формул можно сказать, что действующее напряжение в 1.41 раз меньше амплитудного. Или:

Амплитудное напряжение в сети 220В равняется:

Схемы

Однополупериодный выпрямитель состоит из одного диода. Он просто не пропускает обратную полуволну. На выходе получается напряжение с сильными пульсациями от нуля до амплитудного значения входного напряжения.

Если говорить совсем простым языком, то в этой схеме к нагрузке поступает половина от входного напряжения. Но это не совсем корректно.

Двухполупериодные схемы пропускают к нагрузке обе полуволны от входного. Выше в статье упоминалось об амплитудном значении напряжения, так вот напряжение на выходе выпрямителя то же ниже по величине, чем действующее переменное на входе.

Но, если сгладить пульсации с помощью конденсатора, то, чем меньшими будут пульсации, тем ближе напряжение будет к амплитудному.

О сглаживания пульсаций мы поговорим позже. А сейчас рассмотрим схемы диодных мостов.

1. Выпрямитель по схеме Гретца или диодный мост;

2. Выпрямитель со средней точкой.

Первая схема более распространена. Состоит из диодного моста – четыре диода соединены между собой «квадратом», а в его плечи подключена нагрузка. Выпрямитель типа «мост» собирается по схеме приведенной ниже:

Её можно подключить напрямую к сети 220В, так сделано в современных импульсных блоках питания, или на вторичные обмотки сетевого (50 Гц) трансформатора. Диодные мосты по этой схеме можно собирать из дискретных (отдельных) диодов или использовать готовую сборку диодного моста в едином корпусе.

Вторая схема – выпрямитель со средней точкой не может быть подключена напрямую к сети. Её смысл заключается в использовании трансформатора с отводом от середины.

По своей сути – это два однополупериодных выпрямителя, подключенные к концам вторичной обмотки, нагрузка одним контактом подключается к точке соединения диодов, а вторым – к отводу от середины обмоток.

Её преимуществом перед первой схемой является меньшее количество полупроводниковых диодов. А недостатком – использование трансформатора со средней точкой или, как еще называют, отводом от середины. Они менее распространены чем обычные трансформаторы со вторичной обмоткой без отводов.

Сглаживание пульсаций

Питание пульсирующим напряжением неприемлемо для ряда потребителей, например, источники света и аудиоаппаратура. Тем более, что допустимые пульсации света регламентируются в государственных и отраслевых нормативных документах.

Для сглаживания пульсаций используют фильтры – параллельно установленный конденсатор, LC-фильтр, разнообразные П- и Г-фильтры…

Но самый распространенный и простой вариант – это конденсатор, установленный параллельно нагрузке. Его недостатком является то, что для снижения пульсаций на очень мощной нагрузке придется устанавливать конденсаторы очень большой емкости – десятки тысяч микрофарад.

Его принцип работы заключается в том, что конденсатор заряжается, его напряжение достигает амплитуды, питающее напряжение после точки максимальной амплитуды начинает снижаться, с этого момента нагрузка питается от конденсатора. Конденсатор разряжается в зависимости от сопротивления нагрузки (или её эквивалентного сопротивления, если она не резистивная). Чем больше емкость конденсатора – тем меньшие будут пульсации, если сравнивать с конденсатором с меньшей емкостью, подключенного к этой же нагрузке.

Простым словами: чем медленнее разряжается конденсатор – тем меньше пульсации.

Скорости разряда конденсатора зависит от потребляемого нагрузкой тока. Её можно определить по формуле постоянной времени:

где R – сопротивление нагрузки, а C – емкость сглаживающего конденсатора.

Таким образом, с полностью заряженного состояния до полностью разряженного конденсатор разрядится за 3-5 t. Заряжается с той же скоростью, если заряд происходит через резистор, поэтому в нашем случае это неважно.

Отсюда следует – чтобы добиться приемлемого уровня пульсаций (он определяется требованиями нагрузки к источнику питания) нужна емкость, которая разрядится за время в разы превышающее t. Так как сопротивления большинства нагрузок сравнительно малы, нужна большая емкость, поэтому в целях сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя применяют электролитические конденсаторы, их еще называют полярными или поляризованными.

Обратите внимание, что путать полярность электролитического конденсатора крайне не рекомендуется, потому что это чревато его выходом из строя и даже взрывом. Современные конденсаторы защищены от взрыва – у них на верхней крышке есть выштамповка в виде креста, по которой корпус просто треснут. Но из конденсатора выйдет струя дыма, будет плохо, если она попадет вам в глаза.

Расчет емкости ведется исходя из того какой коэффициент пульсаций нужно обеспечить. Если выражаться простым языком, то коэффициентом пульсаций показывает, на какой процент проседает напряжение (пульсирует).

Чтобы посчитать емкость сглаживающего конденсатора можно использовать приближенную формулу:

Где Iн – ток нагрузки, Uн – напряжение нагрузки, Kн – коэффициент пульсаций.

Для большинства типов аппаратуры коэффициент пульсаций берется 0.01-0.001. Дополнительно желательно установить керамический конденсатор как можно большей емкости, для фильтрации от высокочастотных помех.

Как сделать блок питания своими руками?

Простейший блок питания постоянного тока состоит из трёх элементов:

Если нужно получить высокое напряжение, и вы пренебрегаете гальванической развязкой то можно исключить трансформатор из списка, тогда вы получите постоянное напряжение вплоть до 300-310В. Такая схема стоит на входе импульсных блоков питания, например, такого как у вас на компьютере. О них мы недавно писали большую статью — Как устроен компьютерный блок питания.

Это нестабилизированный блок питания постоянного тока со сглаживающим конденсатором. Напряжение на его выходе больше чем переменное напряжение вторичной обмотке. Это значит, что если у вас трансформатор 220/12 (первичная на 220В, а вторичная на 12В), то на выходе вы получите 15-17В постоянки. Эта величина зависит от емкости сглаживающего конденсатора. Эту схему можно использовать для питания любой нагрузки, если для нее неважно, то, что напряжение может «плавать» при изменениях напряжения питающей сети.

У конденсатора две основных характеристики – емкость и напряжение. Как подбирать емкость мы разобрались, а с подбором напряжения – нет. Напряжение конденсатора должно превышать амплитудное напряжение на выходе выпрямителя хотя бы в половину. Если фактическое напряжение на обкладках конденсатора превысит номинальное – велика вероятность его выхода из строя.

Старые советские конденсаторы делались с хорошим запасом по напряжению, но сейчас все используют дешевые электролиты из Китая, где в лучшем случае есть малый запас, а в худшем – и указанного номинального напряжения не выдержит. Поэтому не экономьте на надежности.

Стабилизированный блок питания отличается от предыдущего всего лишь наличием стабилизатора напряжения (или тока). Простейший вариант – использовать L78xx или другие линейные стабилизаторы, типа отечественного КРЕН.

Так вы можете получить любое напряжение, единственное условие при использовании подобных стабилизаторов, это то, напряжение до стабилизатора должно превышать стабилизированную (выходную) величину хотя бы на 1.5В. Рассмотрим, что написано в даташите 12В стабилизатора L7812:

Входное напряжение не должно превышать 35В, для стабилизаторов от 5 до 12В, и 40В для стабилизаторов на 20-24В.

Входное напряжение должно превышать выходное на 2-2.5В.

Т.е. для стабилизированного БП на 12В со стабилизатором серии L7812 нужно, чтобы выпрямленное напряжение лежало в пределах 14.5-35В, чтобы избежать просадок, будет идеальным решением применять трансформатора с вторичной обмоткой на 12В.

Но выходной ток достаточно скромный – всего 1.5А, его можно усилить с помощью проходного транзистора. Если у вас есть PNP-транзисторы, можно использовать эту схему:

На ней изображено только подключение линейного стабилизатора «левая» часть схемы с трансформатором и выпрямителем опущена.

Если у вас есть NPN-транзисторы типа КТ803/КТ805/КТ808, то подойдет эта:

Стоит отметить, что во второй схеме выходное напряжение будет меньше напряжения стабилизации на 0.6В – это падение на переходе эмиттер база, подробнее об этом мы писали в статье о биполярных транзисторах. Для компенсации этого падения в цепь был введен диод D1.

Можно и в параллель установить два линейных стабилизатора, но не нужно! Из-за возможных отклонений при изготовлении нагрузка будет распределяться неравномерно и один из них может из-за этого сгореть.

Установите и транзистор, и линейный стабилизатор на радиатор, желательно на разные радиаторы. Они сильно греются.

Регулируемые блоки питания

Простейший регулируемый блок питания можно сделать с регулируемым линейным стабилизатором LM317, её ток тоже до 1.5 А, вы можете усилить схему проходным транзистором, как было описано выше.

Вот более наглядная схема для сборки регулируемого блока питания.

Чтобы получить больший ток можно и использовать более мощный регулируемый стабилизатор LM350.

В последних двух схемах есть индикация включения, которая показывает наличие напряжения на выходе диодного моста, выключатель 220В, предохранитель первичной обмотки.

Вот пример регулируемого зарядного устройства для аккумулятора с тиристорным регулятором в первичной обмотке, по сути такой же регулируемый блок питания.

Кстати похожей схемой регулируют и сварочный ток:

Заключение

Выпрямитель используется в источниках питания для получения постоянного тока из переменного. Без его участия не получится запитать нагрузку постоянного тока, например светодиодную ленту или радиоприемник.

Также используются в разнообразных зарядных устройствах для автомобильных аккумуляторов, есть ряд схем с использованием трансформатора с группой отводов от первичной обмотки, которые переключаются галетным переключателем, а во вторичной обмотке установлен только диодный мост. Переключатель устанавливают со стороны высокого напряжения, так как, там в разы ниже ток и его контакты не будут пригорать от этого.

По схемам из статьи вы можете собрать простейший блок питания как для постоянной работы с каким-то устройством, так и для тестирования своих электронных самоделок.

Схемы не отличаются высоким КПД, но выдают стабилизированное напряжение без особых пульсаций, следует проверить емкости конденсаторов и рассчитать под конкретную нагрузку. Они отлично подойдут для работы маломощных аудиоусилителей, и не создадут дополнительного фона. Регулируемый блок питания станет полезным автолюбителями и автоэлектрикам для проверки реле регулятора напряжения генератора.

Регулируемый блок питания используется во всех областях электроники, а если его улучшить защитой от КЗ или стабилизатором тока на двух транзисторах, то вы получите почти полноценный лабораторный блок питания.

Надеюсь, что эта статья была для вас полезной. Смотрите также другие статьи в категории Электрическая энергия в быту и на производстве » Практическая электроника

Источник

Adblock
detector

Полупроводниковые однофазные выпрямители блоков питания.

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.

Выбор схемы выпрямителя
Переменное входное напряжение U2 (В)
Максимальный ток нагрузки Iн (А)
Пульсации выходного напряжения (%)
Выходное напряжение Uн на холостом ходу (В)
Выходное напряжение Uн при максимальном токе (В)
Параметр диодов – максимальный прямой ток (А)
Параметр диодов – максимальное обратное напряжение (В)
Ёмкость конденсатора С1 (МкФ)

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