Как составить схему однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель – это самый простой вид выпрямителя напряжения. Он берет на себя ровно половину от синусоидального переменного напряжения. По своим техническим характеристикам и принципам работы такой тип выпрямителя не подходит для очень многих сфер электрики и электроники.

В сигнале на выходе слишком много гармоник, которые трудно технически и практически отфильтровать. В настоящей статье будет рассмотрено строение, структура этого типы выпрямителя, а также где они могут быть использованы.

Схема однополупериодного выпрямителя

При подаче переменного sin-идального напряжения на первичную обмотку трансформатора напряжение на зажимах вторичной его обмотки также будет переменным синусоидальным и будет равноU2=U2msinwt. Диод проводит электрический ток только в том случае, когда его анод относительно катода будет иметь положительный потенциал. Поэтому ток в цепи – вторичная обмотка, диод и нагрузка – будет протекать только в одном направлении, то есть в течение одной половины периода переменного напряженияU2. В результате этого ток, протекающий в цепи нагрузки, оказывается пульсирующим. Максимальное значение тока:

Im=U2m/RH, гдеRH– сопротивление потребителя постоянного тока.

Кривая получаемого в процессе однополупериодного выпрямления пульсирующего тока может быть разложена в гармонический ряд Фурье:

i=Im(1/π+1/2 sinwt-2/3π∙1 cos2wt-…).

Пульсирующий ток, как видно из выражения, кроме переменных составляющих содержит также и постоянную I=Im/π. Отсюда постоянная составляющая напряжения

U=IRH=Im/π∙RH=U2m/π.

Через действующее значение напряжения: U=√2 ∙U2/π.

Переменные составляющие характеризуют величину пульсаций тока и напряжения.

Для оценки пульсаций при какой-либо схеме выпрямления вводится понятие коэффициента пульсаций q, под которым понимается отношение амплитуды Am наиболее резко выраженной гармонической составляющей, входящей в кривые выпрямленного тока или напряжения, к постоянной составляющей Aв токанапряжения в выходной цепи выпрямителя:q=Am/AB.

Для схемы однополупериодного выпрямителя: q=0.5Im/(1/π ∙Im)=π/2. В течение половины периода, когда анод диода имеет отрицательный относительно катода потенциал, диод тока не проводит. Напряжение, воспринимаемое диодом в непроводящий полупериод, называется обратным напряжением Uобр. Обратное напряжение на диоде будет определяться напряжением на вторичной обмотке. Максимальное значение напряженияUобрm=U2m. Значит, вентиль надо выбирать так, чтобы [Umax обр]>=U2m.

Недостатки такой схемы выпрямления: большие пульсации выпрямленного тока и напряжения, а также плохое использование трансформатора, поскольку по его вторичной обмотке протекает ток только в течение половины периода. Такую установку используют в маломощных системах, когда выпрямленный ток мал.

Как устроен выпрямитель

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. 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.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой. Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. 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. 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 – VF).

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 VF, 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.

Наиболее распространенные схемы

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры. При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей. Такие выпрямители предназначены для питания постоянным током различных электронных устройств, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т.д.

Для упрощения понимания работы схем выпрямления будем исходить из расчета, что выпрямитель работает на активную нагрузку. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой. Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал. При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр.

Т.о. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер. Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения. Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка. Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 – отрицательным полюсом.

Выпрямитель электрического тока

Его электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (одно полярный) электрический ток. В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону. В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним. Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

Из сземы видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна. Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π — константа равная 3,14.

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток. Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Друзья, не забывайте подписываться на обновления блога, ведь чем больше читателей подписано на обновления, тем больше я понимаю что  делаю что-то важное и полезное и это чертовски мотивирует на новые статьи и материалы.

Однополупериодный
выпрямитель или четвертьмост является
простейшим выпрямителем и включает в
себя один вентиль (диод или тиристор).

Допущения:
нагрузка чисто активная, вентиль —
идеальный электрический ключ.

Напряжение
со вторичной обмотки трансформатора
проходит через вентиль на нагрузку
только в положительные полупериоды
переменного напряжения. В отрицательные
полупериоды вентиль закрыт, всё падение
напряжения происходит на вентиле, а
напряжение на нагрузке Uн равно нулю.
Среднее значение переменного тока по
отношению к подведенному действующему
составит:

Эта
величина вдвое меньше, чем в полномостовом.
Важно отметить, что среднеквадратичное
(устар. эффективное, действующее) значение
напряжения на выходе однополупериодного
выпрямителя будет в корень из 2 меньше
подведенного действующего, а потребляемая
нагрузкой мощность в 2 раза меньше (для
синусоидальной формы сигнала)

Отношение
среднего значения выпрямленного
напряжения Uн ср к действующему значению
входного переменного напряжения Uвх д
называется коэффициентом выпрямления
(Kвып). Для рассматриваемой схемы
Kвып=0,45.

Максимальное
обратное напряжение на диоде Uобр max=Uвх
max=πUн ср , т.е. более чем в три раза
превышает среднее выпрямленное напряжение
(это следует учитывать при выборе диода
для выпрямителя).

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

Kп=Uпульс
max01Uн ср=π2=1,57.

27. Двуполупериодный выпрямитель со средней точкой. Диаграммы работы. Принцип действия. Основные параметры.

На
интервале времени [0;T/2] под действием
напряжения Uвх1 диод VD1 смещен в прямом
направлении (диод VD2 при этом смещен в
обратном направлении) и поэтому ток в
нагрузочном резисторе определяется
только напряжением Uвх1. На интервале
[T/2;T] диод VD1 смещен в обратном направлении,
а ток нагрузки протекает через
прямосмещенный диод VD2 и определяется
напряжением Uвх2. Таким образом, средние
значения тока и напряжения на нагрузочном
резисторе в случае двухполупериодного
выпрямления будут в два раза превышать
аналогичные показатели для однополупериодной
схемы:

Uвх
max и Iвх max — максимальные амплитудные
значения входного напряжения и тока
выпрямителя (по одному из напряжений
питания),

Uвх
д и Iвх д — действующие значения входного
напряжения и тока выпрямителя .

Отрицательным
свойством двухполупериодной схемы
выпрямления со средней точкой является
то, что во время прохождения тока через
один из диодов обратное напряжение на
другом (закрытом) диоде в пике достигает
удвоенного максимального входного
напряжения: Uобр max=2Umax. Этого нельзя
забывать при выборе диодов для выпрямителя.

Основная
частота пульсаций выпрямленного
напряжения в данной схеме будет равна
удвоенной частоте входного напряжения.
Коэффициент пульсаций рассчитанный по
методике, аналогичной описанной для
схемы однофазного однополупериодного
выпрямителя (разложение в ряд Фурье и
выделение первой составляющей пульсаций)
будет равен: Kп=0,67.

параметры
смотреть в предыдущем пункте.

28.
Однофазный мостовой выпрямитель.
Диаграммы работы и принцип действия.
Основные параметры выпрямителя.

Схема:

Диаграммы
работы:

Принцип
работы:

В
однофазной мостовой схеме к одной из
диагоналей моста подключается источник
переменного напряжения (вторичная
обмотка трансформатора), а к другой –
нагрузка.

В
мостовой схеме диоды работают попарно:
в течение одной половины периода сетевого
напряжения ток протекает от вторичной
обмотки трансформатора по цепи VD1, RН,
VD2, а на втором полупериоде – по цепи
VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде
через нагрузку ток проходит в одном
направлении, что и обеспечивает
выпрямление. Коммутация диодов происходит
в моменты перехода переменного напряжения
через нуль.

где
U2 ─ действующее значение переменного
напряжения на входе выпрямителя.

Параметры:

• Действующее
  значение напряжения на входе выпрямителя

• Среднее
  значение тока через диод в два раза
  меньше среднего значения тока нагрузки
  Id:

• Максимальное
  значение тока, протекающего через диод

• Действующее
  значение тока диода

• Действующее
  значение переменного тока на входе
  выпрямителя

• Максимальное
  обратное напряжение на диоде в
  непроводящую часть периода

• Амплитуда
  основной гармоники выпрямленного
  напряжения с частотой 2ω

следовательно,

• коэффициент
  пульсации выпрямленного напряжения

• Коэффициент
  трансформации трансформатора

• Мощность
  первичной и вторичной обмоток вентильного
  трансформатора

• Расчетная
  мощность трансформатора

29.
Назначение сглаживающих фильтров. Схема
однофазного однополупериодного
выпрямителя с емкостным фильтром.
Особенности работы. Внешние характеристики
выпрямителей с фильтрами

Сглаживающий
фильтр
– устройство, предназначенное для
уменьшения переменной составляющей
выпрямленного напряжения до величины,
при которой обеспечивается нормальная
работа питаемой аппаратуры или её
каскадов.

Схема
однофазного однополупериодного
выпрямителя с емкостным фильтром.

Особенности
работы.

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.

В
установившемся режиме работы, когда
напряжение на входе выпрямителя Uвх больше
напряжения на нагрузке Uн 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 Rн,
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/ωC ≪Rн).
В этом случае пульсации напряжения на
нагрузке малы и допустимо предполагать,
что это напряжение постоянно (Uн ≈const).

30.
Основные параметры стабилизаторов
напряжения. Параметрические стабилизаторы.

Основные
параметры стабилизатора:

1.
Коэффициент
стабилизации,
равный отношению приращений входного
и выходного напряжений. Коэффициент
стабилизации характеризует качество
работы стабилизатора.

2.
Выходное
сопротивление стабилизатора
Rвых
= Rдиф
Для
нахождения Кст и Rвых рассматривается
схема замещения стабилизатора для
приращений. Нелинейный элемент работает
на участке стабилизации, где его
сопротивление переменному току Rдиф
является параметром стабилизатора.

Дифференциальное
сопротивление Rдиф определяется из
уравнения:

Для
схемы замещения получаем коэффициент
стабилизации с учетом, что Rн >> Rдиф
и Rбал >> Rдиф,:

Параметрический
стабилизатор:

В
приведенной схеме, при изменении входного
напряжения или тока нагрузки – напряжение
на нагрузке практически не меняется
(оно остаётся таким же, как и на
стабилитроне), вместо этого изменяется
ток через стабилитрон (в случае изменения
входного напряжения и ток через балластный
резистор тоже). То есть, излишки входного
напряжения гасятся балластным резистором,
величина падения напряжения на этом
резисторе зависит от тока через него,
а ток через него зависит в том числе от
тока через стабилитрон, и таким образом,
получается, что изменение тока через
стабилитрон регулирует величину падения
напряжения на балластном резисторе.

Коэффициент
стабилизации
параметрического стабилизатора
напряжения

Кст
= 5 ÷ 30
Для получения повышения
стабилизированного напряжения применяют
последовательное включение
стабилитронов.
Параллельное включение
стабилитронов не допускается. С целью
увеличения коэффициента стабилизации
возможно каскадное включение нескольких
параметрических стабилизаторов
напряжения.

31.
Структурные схемы компенсационных
стабилизаторов. Принципиальная схема
непрерывного стабилизатора напряжения.
Получить выражение для выходного
напряжения. Недостатки таких стабилизаторов.

Компенсационный
стабилизатор напряжения, по сути,
является устройством, в котором
автоматически происходит регулирование
выходной величины, то есть он поддерживает
напряжение на нагрузке в заданных
пределах при изменении входного
напряжения и выходного тока. По сравнению
с параметрическими компенсационные
стабилизаторы отличаются большими
выходными токами, меньшими выходными
сопротивлениями, большими коэффициентами
стабилизации.

Непрерывный

Принципиальная
схема стабилизатора напряжения
непрерывного действия приведена на
рис. б.
Здесь роль ИЭ выполняет делитель
напряжения на резисторах R₁ и R₂.
Балластный резистор R_б и
стабилитрон VD представляют
собой маломощный параметрический
стабилизатор, выполняющий роль ИОН.
Операционный усилитель (ОУ) DA,
включенный по схеме дифференциального
усилителя, выполняет роль УС.
ТранзисторVT является
РЭ стабилизатора.

Выходное
напряжение стабилизатора можно
регулировать, меняя соотношение
сопротивлений делителя R₁ и R₂:

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении (U_{вх} = U_{вх max} sin{left( omega t right)}) , представлены на рис. 3.4-1б.

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

На интервале времени (left[ {0;} T/2 right]) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале (left[ T/2 {;} T right]) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

(U_{н ср} = cfrac{1}{T} {huge int normalsize}_{0}^{T} U_н operatorname{d}t = cfrac{1}{T} {huge int normalsize}_{0}^{T/2} U_{вх max} sin{left( omega t right)} operatorname{d}t = )

(= – cfrac{U_{вх max}}{T omega} cos{left( omega t right)}{huge vert normalsize}_{0}^{T/2} approx cfrac{U_{вх max}}{pi} = sqrt{2} cfrac{U_{вх д}}{pi}),

где (U_{вх д}) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

(I_{н ср} = cfrac{1}{2 pi} {huge int normalsize}_{0}^{pi} I_{max} sin{left( omega t right)} operatorname{d} t approx cfrac{I_{max}}{pi} = {0,318} cdot I_{max} ),

где (I_{max}) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

Действующее значение тока нагрузки (I_{н д}) (через диод протекает такой же ток):

(I_{н д} = sqrt{cfrac{I_{max}^2}{2 pi} {huge int normalsize}_{0}^{pi^{ }} sin{left( omega t right)}^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. 3.4-7 описывается уравнением:

( U_{вх max} sin{left( omega t right)} = L cfrac{operatorname{d} I_н}{operatorname{d} t} + I_н R_н )

Приняв ток в цепи в начальный момент времени ((t = 0)) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

(I_н(t) = cfrac{U_{вх max}}{sqrt{R_н^2 + {left( omega L right)}^2}} left( sin{left( omega t – theta right)} + e^{- 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 >

Выпрямитель тока – это устройство, позволяющее выполнить преобразование тока переменного направления в ток постоянного направления. И сегодня мы рассмотрим базовую схему выпрямителя – однополупериодный выпрямитель. Разберем схему, принцип работы, а также достоинства и недостатки.

Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя выглядит следующим образом:

Пусть на входе у нас переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону:

Резистор же R_н играет роль нагрузки. То есть мы должны обеспечить протекание через него постоянного тока. Давайте разберемся как эта простейшая схема сможет решить нашу задачу.

Итак, диод D_1 пропускает ток только в одном направлении, в те моменты, когда к нему приложено прямое смещение, что соответствует положительным полупериодам (U_{вх}gt0) входного сигнала. Когда к диоду будет приложено обратное смещение (отрицательные полупериоды), он будет закрыт и по цепи будет протекать только незначительный обратный ток. И в результате сигнал на нагрузке будет выглядеть так:

Обратным током обычно можно пренебречь, поэтому в итоге мы получаем, что ток через нагрузку протекает только в одном направлении. Но назвать его постоянным не представляется возможным ) Ток через нагрузку хоть и является выпрямленным (протекает только в одном направлении), но носит пульсирующий характер.

Для сглаживания этих пульсаций в схему выпрямителя тока обычно добавляется конденсатор:

Идея заключается в том, что во время положительного полупериода, конденсатор заряжается (запасает энергию). А во время отрицательного полупериода конденсатор, напротив, разряжается (отдает энергию в нагрузку).

Таким образом, за счет накопленной энергии конденсатор обеспечивает протекание тока через нагрузку и в отрицательные полупериоды входного сигнала. При этом емкость конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, равное половине периода.

Проверяем напряжение на нагрузке для этой схемы:

В точке 1 конденсатор заряжен до напряжения U_1. Далее входное напряжение понижается, а конденсатор, в свою очередь, начинает разряжаться на нагрузку. Поэтому выходное напряжение не падает до нуля вслед за входным.

В точке 2 конденсатор успел разрядиться до напряжения U_2. В то же время значение входного сигнала также становится равным этой же величине, поэтому конденсатор снова начинает заряжаться. И эти процессы в дальнейшем циклически повторяются.

А теперь поэкспериментируем и используем в схеме однополупериодного выпрямителя конденсатор меньшей емкости:

И здесь мы видим, что конденсатор из-за меньшей емкости успевает разрядиться гораздо сильнее, и это приводит к увеличению пульсаций, а следовательно к ухудшению работы всей схемы. На промышленных частотах 50 – 60 Гц однополупериодный выпрямитель практически не применяется из-за того, что для таких частот потребуются конденсаторы с очень большой емкостью (а значит и внушительными габаритами).

Смотрите сами, чем ниже частота, тем больше период сигнала (а вместе с тем, и длительности положительного и отрицательного полупериодов). А чем больше длительность отрицательного полупериода, тем дольше конденсатор должен быть способен разряжаться на нагрузку. А это уже требует большей емкости.

Таким образом, на более низких частотах в силу своих ограничений эта схема не нашла широкого применения. Однако, на частотах в несколько десятков КГц однополупериодный выпрямитель используется вполне успешно.

Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

• К основным достоинствам схемы, в первую очередь, конечно же, можно отнести простоту и, соответственно, небольшую себестоимость – используется всего один диод.
• Кроме того, снижено падение напряжения. Как вы помните, при протекании тока через диод на нем самом падает определенное напряжение. По сравнению с мостовой схемой (которую мы разберем в следующей статье), ток протекает только через один диод (а не через два), а значит и падение напряжения меньше.

Основных недостатков также можно выделить несколько:

• Схема использует энергию только положительного полупериода входного сигнала. То есть половина полезной энергии, которую также можно было бы использовать, уходит просто в никуда. В связи с этим КПД выпрямителя крайне низок.
• И даже с использованием сглаживающих конденсаторов величина пульсаций довольно-таки значительна, что также является очень серьезным недостатком.

Итак, давайте резюмируем: сегодня мы разобрали схему и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя тока, а в следующей статье перейдем к более сложным схемам выпрямителей, не пропустите 👍