выпрямленное напряжение — это… Что такое выпрямленное напряжение?

выпрямленное напряжение

rectified voltage

Большой англо-русский и русско-английский словарь. 2001.

• выпрямление смятых труб
• выпрямленность

Смотреть что такое «выпрямленное напряжение» в других словарях:

• выпрямленное напряжение — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN rectified voltage …   Справочник технического переводчика

• выпрямленное напряжение полного колебания — (напр. в ступени электрофильтра) [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г. ] Тематики энергетика в целом EN full wave rectified voltage …   Справочник технического переводчика

• сглаженное выпрямленное напряжение — — [Я.Н.Лугинский, М.С.Фези Жилинская, Ю.С.Кабиров. Англо русский словарь по электротехнике и электроэнергетике, Москва, 1999 г.] Тематики электротехника, основные понятия EN smoothed dc voltage …   Справочник технического переводчика

• Испытательное выпрямленное напряжение — English: Test rectifier voltage Амплитудное значение напряжения, прикладываемого к электрооборудованию в течение заданного времени при определенных условиях испытания (по пээп) Источник: Термины и определения в электроэнергетике. Справочник …   Строительный словарь

• напряжение электрооборудования испытательное выпрямленное

  — Амплитудное значение выпрямленного напряжения, прикладываемого к электрооборудованию в течение заданного времени при определенных условиях испытания. [РД 01.120.00 КТН 228 06] Тематики магистральный нефтепроводный транспорт …   Справочник технического переводчика

• Выпрямитель — У этого термина существуют и другие значения, см. Выпрямитель (значения) …   Википедия

• Диодный выпрямитель — Выпрямитель электрического тока механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.[1] [2] Большинство… …   Википедия

• РД 50-713-92: Методические указания. Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Виды низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых по силовым линиям, в системах электроснабжения общего назначения — Терминология РД 50 713 92: Методические указания. Совместимость технических средств электромагнитная. Электромагнитная обстановка. Виды низкочастотных кондуктивных помех и сигналов, передаваемых по силовым линиям, в системах электроснабжения… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• ПУЭ: Правила устройства электроустановок. Издание 6 — Терминология ПУЭ: Правила устройства электроустановок. Издание 6: 2. Анализ масла перед включением оборудования. Масло, отбираемое из оборудования перед его включением под напряжением после монтажа, подвергается сокращенному анализу в объеме,… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• измерение — 3.10 измерение (measurement): Процесс получения информации об эффективности СМИБ, а также мер и средств контроля и управления с использованием метода измерения, функции измерения, аналитической модели и критериев принятия решения. Источник …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

• продольная дифференциальная защита — Защита, действие и селективность которой зависят от сравнения величин (или фаз и величин) токов по концам защищаемой линии. [http://docs.cntd.ru/document/1200069370] продольная дифференциальная защита Защита, срабатывание и селективность которой… …   Справочник технического переводчика

Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель — Club155.

2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \) 

 

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

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

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

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

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

 

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

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

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

 

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

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

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

 

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

 

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

 

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

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

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

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

 

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

 

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке.

Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

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

Угол \( \beta\) принято называть углом отсечки.

 

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

 

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

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

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

 

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

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

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

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

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

 

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

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

где \( A \left( \beta \right) = \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} — \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}} = \operatorname{tg} \left( \beta \right) — \beta \)    (3. 4.2)

 

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

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

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

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

 

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

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

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

 

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

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

 

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

 

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

 

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

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

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

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

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

 

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

 

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

 

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

 

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

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

 

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

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

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

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

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Выпрямитель, что может быть проще? Часть первая, описательно теоретическая. | Разумный мир

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.

Серия, тип	Краткая характеристика
БВК-140У2 БВК-140АТ3 БВК-140У2 Экспорт	Выпрямитель трансформатора коррекции:
	Ток, А	15
	Напряжение, В	300
	Цепь стабилизации:
	Ток, А, не более	0,001
	Напряжение, В	100
	Масса, кг:
	БВК-140У2, БВК-140У2 экспорт	2,8
	БВК-140АТ3	7,67
БВК-220АУ2 БВК-220БУ2 БВК-220АТ3 БВК-220БТ3 БВК-220АУ2 Экспорт БВК-220БУ2 Экспорт	Выпрямитель трансформатора напряжения:
	Ток, А	1,5
	Напряжение, В	100
	Выпрямитель индуктивного датчика:
	Ток, А	0,5
	Напряжение, В	10
	Цепь опорного напряжения в канале регулирования тока генератора:
	Ток, А	0,04
	Напряжение, В	10,3
	Разделительные диоды:
	Ток, А	0,5
	Напряжение, В	50
	Цепь опорного напряжения в канале регулирования мощности генератора БВК-220А:
	Ток, А	0,12
	Напряжение, В	5,4
	Цепь опорного напряжения в канале регулирования мощности генератора БВК-220Б:
	Ток, А	0,2
	Напряжение, В	8,2
	Масса, кг	3,1
БВК-120У2 БВК-120У2 Экспорт	Выпрямитель трансформатора напряжения:
	Ток, А	1
	Напряжение, В	120
	Цепь регулирования напряжения генератора отопления:
	Ток, А	0,12
	Напряжение, В	44
	Разделительные диоды:
	Ток, А	0,1; 0,2
	Напряжение, В	50
	Масса, кг	2,94
БВК-130У2 БВК-130У2 Экспорт	Выпрямитель трансформатора тока:
	Ток, А	1
	Напряжение, В	50
	Разделительный диод:
	Ток, А	1
	Напряжение, В	50
	Масса, кг	2,83
БВК-331У2 БВК-331У2 Экспорт БВК-331Т3 БВК-250У2 БВК-250Т3 БВК-250У2 Экспорт	Цепь создания выдержки времени:
	Ток, А	0,0055
	Напряжение, В	9
	Масса, кг	2,3
	Выпрямитель трансформатора тока:
	Ток, А	3
	Напряжение, В	160
	Выпрямитель индуктивного датчика:
	Ток, А	0,4
	Напряжение, В	25
	Разделительные диоды селективного узла:
	Ток, А	0,2
	Напряжение, В	50
	Масса, кг	2,9
БВК-320У2 БВК-320Т3 БВК-320У2 Экспорт	Выпрямитель трансформатора тока:
	Ток, А	3
	Напряжение, В	160
	Разделительные диоды селективного узла:
	Ток, А	0,5
	Напряжение, В	20
	Цепь питания блока управления возбуждением
	Ток, А	0,5
	Напряжение, В	13,6
	Разделительный диод:
	Ток, А	0,2
	Напряжение, В	50
	Масса, кг	3,3
БВК-340У2 БВК-340У2 Экспорт	Выпрямитель трансформатора тока:
	Ток, А	3
	Напряжение, В	50
	Выпрямитель трансформатора напряжения:
	Ток, А	1
	Напряжение, В	100
	Выпрямитель узла смещения:
	Ток, А	1
	Напряжение, В	50
	Цепь питания блока управления возбуждением
	Ток, А	0,5
	Напряжение, В	13,6
	Цепь смещения в канале регулирования мощности генератора:
	Ток, А	0,5
	Напряжение, В	6,8
	Масса, кг	3,2
БВК-450АУ2 БВК-450АТ3 БВК-450АУ2 Экспорт	Выпрямители трансформатора тока:
	Ток, А	4
	Напряжение, В	70
	Выпрямители трансформаторов напряжения:
	Ток, А	2
	Напряжение, В	70
	Разделительные диоды:
	Ток, А	4
	Напряжение, В	70
	Масса, кг	3,31
БВК-470У2 БВК-470Т3 БВК-470У2 Экспорт	Выпрямитель индуктивного датчика:
	Ток, А	10
	Напряжение, В	300
	Выпрямители селективного узла:
	Ток, А	10
	Напряжение, В	300
	Разделительные диоды:
	Ток, А	5
	Напряжение, В	300
	Выпрямитель магнитного усилителя:
	Ток, А	10
	Напряжение, В	300
	Масса, кг	3
БВК-471У2 БВК-471Т3 БВК-471У2 Экспорт	Выпрямительный мост в цепи индуктивного датчика:
	Ток, А	10
	Напряжение, В	300
	Выпрямительный мост в цепи магнитного усилителя возбудителя:
	Ток, А	10
	Напряжение, В	300
	Масса, кг	2,4

Выпрямители переменного тока и напряжения

   Недостатком гальванических элементов, используемых для питания различной электронной аппаратуры, является ограниченный срок их службы и необходимость периодической замены. Такие неудобства особенно ощутимы, когда нагрузка потребляет токи большой силы, например, при питании электродвигателей постоянного тока, выходных каскадов мощного усилителя и т. п. Поэтому для питания электронной аппаратуры лучше использовать электрическую энергию промышленной сети.
   Однако подключать электронное устройство, рассчитанное на питание от батарей, непосредственно к промышленной сети нельзя. Предварительно переменное напряжение сети необходимо преобразовать в постоянное. Последовательность такого преобразования показана на рисунке.
  

  
  
   Для питания транзисторной аппаратуры в большинстве случаев используются напряжения, меньшие, чем сетевые. Это возможно при применении трансформатора, называемого силовым. Затем переменное напряжение надо преобразовать в постоянное. Постоянное напряжение получают в два этапа.
   На первом этапе переменное напряжение преобразуется в пульсирующее, отличающееся от переменного тем, что оно изменяется только в одну сторону от нулевого значения. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется выпрямителем.
   Второй этап состоит в преобразовании с помощью электрического фильтра выпрямленного (пульсирующего) напряжения в постоянное.

   Для получения пульсирующего напряжения из переменного используют специальные элементы, обладающие односторонней электропроводностью: полупроводниковые и электровакуумные диоды.
   Самый простой выпрямитель можно построить на основе всего лишь одного выпрямительного элемента, например полупроводникового диода.

   При подключении выпрямителя к источнику переменного напряжения U_BX в течение положительных полупериодов переменного напряжения диод VD оказывается включенным в прямом направлении, сопротивление его становится очень небольшим и через нагрузку R_H протекает ток, вызывающий на ней падение напряжения.
   В течение отрицательных полупериодов диод включается в обратном направлении, его сопротивление становится очень большим, в результате чего ток, протекающий через диод и нагрузку, оказывается весьма малым. Таким образом, благодаря полупроводниковому диоду через нагрузку протекает пульсирующий ток. Поскольку этот ток протекает лишь в положительные полупериоды, а при отрицательных полупериодах очень мал, такой выпрямитель называют однополупериодным. Частота пульсаций однополупериодного выпрямителя равна частоте напряжения, подводимого к выпрямителю.
   Пульсирующий ток, протекая через нагрузку, создает на ней пульсирующее напряжение, которое является источником сильных помех. Если от такого источника напряжения питать, например, радиоприемник, будет слышен сильный неприятный гул, называемый фоном.
Чтобы его уменьшить, следует «сгладить» пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Для этого выпрямленное напряжение подают сначала на сглаживающее устройство — фильтр, а уже с фильтра — на нагрузку.
   Простейшим фильтром может служить конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. В течение положительного полупериода входного напряжения ток протекает через нагрузку R_H и конденсатор С, заряжая его до некоторого максимального напряжения. В отрицательный полупериод диод закрывается, и конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. Таким образом, через нагрузку ток протекает как в положительный, так и в отрицательный полупериоды входного напряжения. Источником тока, протекающего через нагрузку в отрицательный полупериод, является конденсатор. Вследствие того, что по мере разрядки конденсатора напряжение на нем уменьшается, будет уменьшаться и напряжение на нагрузке. Следовательно, напряжение на нагрузке при подключении параллельно ей конденсатора остается пульсирующим, но амплитуда пульсаций Uп меньшая, чем при отсутствии конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд будет накоплен им в положительный полупериод и тем больше времени потребуется для его разрядки. А это значит, что увеличение емкости конденсатора приводит к уменьшению пульсаций.
   Отношение амплитуды пульсаций напряжения Uп к среднему значению выпрямленного напряжения U₀ называют коэффициентом пульсаций Кр. Из графиков видно, что подключение к выходу выпрямителя конденсатора приводит к уменьшению коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения.
   Однополупериодный выпрямитель прост по конструкции, однако обладает наименьшим по сравнению с другими видами выпрямителей коэффициентом полезного действия (КПД) и повышенными пульсациями выпрямленного напряжения. Амплитуда пульсаций значительно увеличивается при возрастании тока нагрузки, так как при этом увеличивается разрядный ток конденсатора С. Поэтому однополупериодные выпрямители с емкостным фильтром используются для питания маломощных приемников и других устройств с малым током потребления.

 

   Для питания радиоаппаратуры чаще всего используются выпрямители, работающие по двухполупериодной схеме. В одном из таких двухполупериодных выпрямителей применяется средний вывод от вторичной обмотки трансформатора. Выпрямительные диоды VD1 и VD2 подключены к концам вторичной обмотки. Такой выпрямитель представляет собой как бы два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку R_H и фильтр С.
   Действительно, когда на верхнем конце вторичной обмотки возникает положительное напряжение (положительный полупериод), на нижнем конце вторичной обмотки образуется отрицательное напряжение (отрицательный полупериод. Поэтому диод VD1 будет открыт, a VD2 закрыт, и ток нагрузки создается напряжением верхней половины вторичной обмотки трансформатора.
   В следующий полупериод напряжение на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора окажется отрицательным, а на нижнем — положительным. Диод VD1 будет закрыт, a VD2 — открыт, ток нагрузки вырабатывается нижней половиной IIб вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в данной схеме диоды VD1 и VD2 работают поочередно, и процесс выпрямления переменного тока идет непрерывно.
   Частота пульсаций на выходе такого выпрямителя в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе. Это приводит к увеличению выпрямленного тока, что облегчает задачу сглаживания пульсаций, так как уменьшается время, в течение которого происходит разрядка конденсатора фильтра.
   Коэффициент пульсаций в такой схеме оказывается в 2 раза меньше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя.
   Чаще всего двухполупериодный выпрямитель выполняют по мостовой схеме.

 При этом приходится использовать не два, а четыре диода. Но зато трансформатор для такого выпрямителя изготовить проще: не надо делать дополнительного вывода от середины вторичной обмотки, и сама вторичная обмотка содержит в 2 раза меньшее число витков. Когда на верхнем конце вторичной обмотки образуется положительный полупериод («+»), а на нижнем — отрицательный («—»),ток протекает через диоды VD2, VD3 и нагрузку.
Диоды VD1 и VD4 при этом закрыты. В следующий полупериод переменного напряжения на верхнем конце вторичной обмотки создается отрицательное напряжение, а на нижнем — положительное, и ток протекает через диоды VD1, VD4 и нагрузку Rн, а диоды VD2 и VD3 закрыты.

Выбор диодов для выпрямителя

   Диоды для выпрямителя выбирают по двум основным параметрам постоянному (выпрямленному) току, который должен давать выпрямитель, и обратному напряжению. Эти параметры выпрямительных диодов всегда приводятся в справочниках.
  Выпрямленный ток диода должен быть не меньше полного тока, потребляемого нагрузкой. Чтобы в процессе работы диоды меньше нагревались, желательно применять такие из них, у которых выпрямленный ток был бы в 2..3 раза больше, чем требуемый.
  В течение отрицательного полупериода, соответствующего закрытому состоянию диода, к выпрямительному диоду прикладывается обратное напряжение. Оно складывается из напряжения, действующего на вторичной обмотке, и напряжения на конденсаторе, подключенном к выходу выпрямителя. Так как при малых токах нагрузки конденсатор заряжается до напряжения, почти равного амплитудному на вторичной обмотке, можно считать, что максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду, равно удвоенному амплитудному напряжению вторичной обмотки. Например, если напряжение вторичной обмотки составляет 30 В, то амплитудное напряжение

Диод, использованный в таком выпрямителе, должен иметь допустимое обратное напряжение не менее 84 В.

 

Коэффициент пульсации, формула и примеры

Определение и формула коэффициента пульсации

О коэффициенте пульсации чаще всего говорят, когда рассматривают переменный электрический ток. Тогда рассматривают коэффициент пульсации напряжения или силы тока. Существует внутренне деление коэффициентов пульсации напряжения (тока) на: коэффициент пульсации напряжения (тока), коэффициент пульсации напряжения (тока) по среднему значению, по действующему значению.

В общем случае форма напряжения на выходе выпрямляющего устройства имеет постоянную (называемую полезной) и переменную (пульсирующую) составляющие.

Если представить выпрямленное напряжение в виде ряда Фурье, как сумму постоянной составляющей () и некоторого числа () гармоник, имеющих амплитуды , то коэффициент пульсации напряжения () можно определить формулой:

   

где n — номер гармоники.

При этом компоненту считают полезным результатом деятельности выпрямителя, в отличие от пульсаций . Если форма пульсаций сложная, то максимальным значением может обладать не первая гармоника, но обычно под k понимают ее. Она применяется в расчетах и записывается в технических документах оборудования.

Разновидности коэффициентов пульсации напряжения (тока)

Коэффициентом пульсации напряжения (тока) по среднему значению называют величину, равную отношению средней величины переменной компоненты пульсирующего напряжения (тока) к постоянной составляющей.

Коэффициент пульсации напряжения (тока) по действующему значению — это параметр, который находят как отношение действующего значения переменой компоненты пульсирующего напряжения (тока) к его неизменной компоненте.

Часто потребителям не важно, какая из гармоник на выходе выпрямляющего устройства обладает наибольшим размахом. Интерес составляет общий размах пульсаций, который характеризует абсолютный коэффициент пульсаций (), который определяют выражением:

   

или

   

Или применяют формулу:

   

или

   

Коэффициент пульсации напряжения измеряют при помощи осциллографа или двух вольтметров.

Коэффициент пульсации — это одна из самых значимых характеристик выпрямителя — устройства, которое предназначено для превращения переменного напряжения источника электрической энергии в постоянное.

Единицы измерения

Коэффициент пульсации рассматривают как безразмерную величину или он может указываться в процентах.

Примеры решения задач

Полупериодный выпрямитель и двухполупериодный выпрямитель

Постоянный ток течет только в одном направлении, что означает, что он имеет постоянную полярность на своих выводах. Если переменный ток периодически меняет свое направление тока, это переменная полярность на клеммах.

Выпрямитель — это схема, которая преобразует переменный ток в постоянный, и этот процесс преобразования называется выпрямлением . Проще говоря, выпрямитель преобразует двунаправленный ток в однонаправленный, который поддерживает постоянную полярность на нагрузке.Это можно сделать, заблокировав обратный поток тока или перенаправив обратный поток в одном направлении.

Теория полуволнового выпрямителя

Полупериодный выпрямитель ограничивает отрицательные полупериоды и пропускает только положительные полупериоды через нагрузку. Таким образом, он использует только половину цикла входного сигнала.

Во время положительного полупериода (A-положительный и B-отрицательный) сигнала диод будет смещен в прямом направлении и проводит ток через сопротивление нагрузки.А на отрицательном полупериоде (A-отрицательный и B-положительный) диод будет смещен в обратном направлении и предотвращает протекание тока в противоположном направлении. Таким образом, полярность выходных клемм остается неизменной и обеспечивает однонаправленный ток через нагрузку.

Уравнения и значения полуволнового выпрямителя

Среднее напряжение, В _{среднее} = В _м / π | Средний ток, Iср. = I _м / π

Действующее значение Напряжение, В _{действующее значение} = В _м /2 | Действующий ток, I _{действующее значение} = I _м /2

Коэффициент пульсации = 1. 21

Максимальный КПД = 40,6%

Коэффициент использования трансформатора (TUF) = 0,287

Форм-фактор = 1,57

пик-фактор = 2

Теория полноволнового выпрямителя

Преобразует полные циклы сигнала переменного тока в постоянный. Как положительные, так и отрицательные полупериоды сигнала переменного тока преобразуются в однонаправленный ток.

Двухполупериодная схема выпрямителя с центральным отводом

Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением работает только с центральным отводным трансформатором или с аналогичной общей точкой потенциала на клеммах.Центральный ответвитель действует как общий вывод с нулевым потенциалом в обоих полупериодах.

В положительном полупериоде (A-положительный и B-отрицательный) диод D1 смещен в прямом направлении, а диод D2 — в обратном. Следовательно, ток протекает через D1 и сопротивление нагрузки от клеммы A до центрального отвода.

В отрицательном полупериоде (A — отрицательный и B — положительный) диод D2 смещен в прямом направлении, а диод D1 — в обратном. Ток протекает через D2 и сопротивление нагрузки от клеммы B к центральному отводу трансформатора.

Смещение диодов меняется поочередно в зависимости от полярности клемм.

В выпрямителе с центральным ответвлением выходное напряжение постоянного тока будет составлять половину общего выходного напряжения вторичной обмотки. Потому что нагрузка всегда на половину вторичной обмотки.

Схема полноволнового мостового выпрямителя

Мостовой выпрямитель состоит из 4 диодов по схеме моста. От выпрямителя с центральным ответвлением мостовой выпрямитель отличается только схемным расположением.КПД, коэффициент пульсации, среднее значение и среднеквадратичное значение одинаковы, за исключением коэффициента использования трансформатора (TUF). Потому что в выпрямителе с центральным ответвлением обмотку трансформатора следует рассматривать отдельно.

Мостовой выпрямитель имеет преимущество перед центральным ответвлением, то есть он работает без трансформатора с центральным ответвлением или общего заземления.

В положительном полупериоде (A-положительный и B-отрицательный) диоды D2 и D3 смещены в прямом направлении. D1 и D4 имеют обратное смещение, поэтому путь проводимости формируется через диод D2, сопротивление нагрузки и диод D3.

Аналогично, на отрицательном полупериоде (A-отрицательный и B-положительный) диоды D4 и D1 смещены в прямом направлении. Диоды D3 и D2 имеют обратное смещение. Ток протекает через D4, сопротивление нагрузки и D1.

Смещение диодов чередуется в каждом полупериоде и создает одинаковую полярность на нагрузке. Следовательно, в обоих полупериодах сопротивление нагрузки имеет одинаковое направление тока.

Уравнения и значения двухполупериодного выпрямителя

Среднее напряжение, В _{среднее} = 2В _м / π | Средний ток, I _{средний} = 2I _м / π

Действующее значение напряжения, В _{действующее значение} = В _м / √2 | Действующий ток, I _{действующее значение} = I _м / √2

Выпрямитель с центральным ответвлением, коэффициент использования трансформатора (TUF) = 0. 693

Мостовой выпрямитель, коэффициент использования трансформатора (TUF) = 0,812

Коэффициент пульсации = 0,482

Максимальный КПД = 81,2%

Форм-фактор = 1,11

пик-фактор = √2

Среднее значение выпрямителя

Среднее арифметическое всех мгновенных значений сигнала называется его средним значением.

Среднее значение = площадь под кривой / основание

Среднее значение синусоиды

Среднее значение синусоидальной формы волны можно рассчитать как,

Среднее значение = Площадь единичного цикла / базовая длина единичного цикла

Вывод для математического нахождения результирующего среднего значения для единичного цикла синусоидальной волны,

В = В _м sinωt, В _м — Максимальное напряжение или пиковое напряжение, В — Мгновенное напряжение.
Среднее значение функции f (x) на интервале [a, b] = (1 / b-a) _a ∫ ^b f (x) dx.

Площадь под кривой — это интеграл функции f (x) в интервале от a до b. А базовая длина — это разница между пределами b и a.

Для единичного цикла синусоидальной волны площадь области была получена путем интегрирования уравнения синусоидальной волны и базовой длины из разности пределов 0 и 2π.

Следовательно, среднее напряжение Vavg = V _м / 2π ₀ ∫ ^2π sinωt dωt | V _м / 2π — постоянная величина.

= V _м / 2π ( ₀ ∫ ^π sinωt dωt + _π ∫ ^2π sinωt dωt) = V _м / 2π [- cosωt] ₀ ^π + V _м / 2π [- cosωt] ₀ ^π .

= V _м / 2π [- cosπ + cos0] + V _m / 2π [- cos2π + cosπ]

Следовательно, Vavg = V _m / 2π [1 + 1] + V _m / 2π [-1-1] = 2V _m / 2π — 2V _m / 2π = 0

Среднее значение синусоидальной переменной величины для полного цикла будет равно нулю. Потому что положительный и отрицательный полупериоды равны по величине, и, таким образом, общее значение сокращается при суммировании.

Среднее значение полупериодного выпрямителя

Отрицательные полупериоды отсутствуют в выходной форме полуволнового выпрямителя. Итак, чтобы найти среднее значение выпрямителя, площадь под положительным полупериодом была разделена на общую длину базы.

Площадь под положительным полупериодом представляет собой интеграл синусоидального волнового уравнения от пределов 0 до π.Общая базовая длина — это разность пределов полного цикла (2π — 0 = 2π), которая включает в себя базовую длину как положительного, так и отрицательного циклов.

Среднее выходное напряжение полуволнового выпрямителя можно получить как,

Среднее напряжение, В _DC = В _м / 2π ₀ ∫ ^π sinωt dωt

= V _м / 2π [- cosωt] ₀ ^π = V _м / 2π [- cosπ + cos0]

= V _м / 2π [1 + 1] = 2V _м / 2π = V _м / π

Уравнение среднего напряжения для полуволнового выпрямителя: В _DC = В _м / π.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

В двухполупериодном выпрямителе отрицательная полярность волны будет преобразована в положительную. Таким образом, среднее значение можно найти, взяв среднее значение одного положительного полупериода.

Расчет среднего напряжения двухполупериодного выпрямителя,

Среднее напряжение , В _DC = В _м / π ₀ ∫ ^π sinωt dωt

= V _м / π [- cosωt] ₀ ^π = V _м / π [- cosπ + cos0]

= V _м / π [1 + 1] = 2V _м / π

Уравнение среднего напряжения для двухполупериодного выпрямителя: В _DC = 2 В _м / π.

Итак, во время расчетов среднее напряжение можно получить, подставив значение максимального напряжения в уравнение для V _DC .

Действующее значение выпрямителя

Значение

RMS (среднеквадратичное значение) — это квадратный корень из среднего значения квадратов значений.

Среднеквадратичное значение переменного тока эквивалентно значению постоянного тока переменной или изменяющейся электрической величины. Среднеквадратичное значение переменного тока выделяет такое же количество тепла, когда равное значение постоянного тока протекает через одно и то же сопротивление.

Среднеквадратичное значение сигнала = √ Площадь под кривой / базовая длина.

Для функции f (x) среднеквадратичное значение для интервала [a, b] = √ (1 / b-a) _a ∫ ^b f ² (x) dx.

Среднеквадратичное значение синусоиды

Среднеквадратичное значение = √ Квадрат площади полупериода / базовой длины полупериода

Среднеквадратичное значение синусоидальной волны можно рассчитать, просто взяв только область полупериода. Потому что площади квадрата положительного полупериода и квадрата отрицательного полупериода имеют одинаковые значения.Таким образом, вывод будет таким же, как и для двухполупериодного выпрямителя.

Среднеквадратичное значение напряжения синусоидальной волны, В _{Среднеквадратичное значение} = В _м / √2, Вм — максимальное напряжение или пиковое напряжение.

Действующее значение полупериодного выпрямителя

В однополупериодном выпрямителе отрицательный полупериод будет удален с выхода. Итак, общую длину базы (2π) следует брать из интервала от 0 до 2π.

Действующее значение напряжения, В _СКЗ = √ В _м ² / 2π ₀ ∫ ^π sin ² ωt dωt

= √ V _м ² / 2π ₀ ∫ ^π (1 — cos2ωt) / 2) dωt = √ V _м ² / 4π [ωt — sin2ωt / 2] ₀ ^π

= √ V _м ² / 4π [π — (sinπ) / 2 — (0 — (sin0) / 2)] = √ V _м ² / 4π (π) = √ V _м ² /4

Следовательно, действующее значение напряжения, В _СКЗ = В _м /2

Среднеквадратичное значение двухполупериодного выпрямителя

Действующее значение напряжения, В _СКЗ = √ В _м ² / π ₀ ∫ ^π sin ² ωt dωt

= √ V _м ² / π ₀ ∫ ^π (1 — cos2ωt) / 2) dωt = √ V _м ² / 2π [ωt — sin2ωt / 2] ₀ ^π

= √ V _м ² / 2π [π — (sinπ) / 2 — (0 — (sin0) / 2)] = √ V _м ² / 2π (π) = √ V _м ² /2

Действующее значение напряжения, В _{Среднеквадратичное значение} = В _м / √2

Пик-фактор выпрямителя

Коэффициент пика определяется как отношение максимального значения к среднеквадратичному значению переменной величины.

Пик-фактор = пиковое значение / среднеквадратичное значение

Действующее значение напряжения однополупериодного выпрямителя, В _{Среднеквадратичное значение} = В _м /2. Где V _m — максимальное или пиковое напряжение.

Тогда пик-фактор полуволнового выпрямителя можно рассчитать как,

V _м / V _RMS = V _м / (V _м /2) = 2 V _м / V _м = 2

Аналогично, для двухполупериодного выпрямителя среднеквадратичное напряжение В _СКЗ = В _м / √2

Следовательно, значение пик-фактора двухполупериодного выпрямителя = В _м / В _м / √2

= V _м √2 / V _м = √2 = 1.414

Форм-фактор выпрямителя

Отношение среднеквадратичного значения к среднему значению переменной величины известно как его форм-фактор.

Форм-фактор = среднеквадратичное значение / среднее значение

RMS напряжение полуволнового выпрямителя, V _RMS = V _m /2 и среднее напряжение V _AVG = V _m / π, V _m — пиковое напряжение.

Форм-фактор однополупериодного выпрямителя = В _RMS / В _AVG = (В _м /2) / ( _Вм / π)

= π V _м /2 V _м = 1.57

Для двухполупериодного выпрямителя среднеквадратичное напряжение V _RMS = V _м / √2 и среднее напряжение

В _AVG = 2 В _м / π

Значение форм-фактора двухполупериодного выпрямителя = (В _м / √ 2) / (2 В _м / π)

= π V _м / 2√2 V _м = 1,11

Коэффициент пульсации выпрямителя

Отношение среднеквадратичного значения (среднеквадратичное значение) составляющей переменного тока к составляющей постоянного тока на выходе определяется как коэффициент пульсации и обозначается γ.

Коэффициент пульсаций, γ = В _AC / В _DC | V _DC — среднее значение выхода постоянного тока.

В _RMS = √ V _DC ² + V _AC ² или I _RMS = √ I _DC ² + I _AC ²

В _{переменного тока} = √ В _RMS ² — В _{постоянного тока} ²

Следовательно, уравнение коэффициента пульсаций имеет вид γ = √ (В _RMS ² — V _DC ² ) / V _DC ² = √ (V _RMS / V _DC ) ² — 1

Чтобы рассчитать коэффициент пульсаций полуволнового и двухполупериодного выпрямителя, просто подставьте среднеквадратичное значение и среднее значение соответствующего выпрямителя в приведенное выше уравнение.

Коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя

RMS Напряжение однополупериодного выпрямителя, В _RMS = В _м /2 | Vm — пиковое напряжение.

Среднее напряжение полуволнового выпрямителя, В _AVG = В _м / π

Коэффициент пульсации, γ = √ ([(V _м /2) / (V _м / π)] ² -1) = √ (π / 2) ² — 1 = 1,21

Коэффициент пульсации двухполупериодного выпрямителя

RMS Напряжение двухполупериодного выпрямителя, В _RMS = В _м / √2

Среднее напряжение двухполупериодного выпрямителя, В _AVG = 2 В _м / π

r = √ ([(V _м / √ 2) / (2 V _m / π)] ² — 1) = √ (π / (2 √ 2)) ² — 1 = 0.48

КПД выпрямителя

Отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока выпрямителя называется его КПД. Обозначается он η.

КПД выпрямителя, η = выходная мощность постоянного тока / входная мощность переменного тока = P _DC / P _AC

КПД полуволнового выпрямителя

I _RMS = I _м /2, P _AC = I _RMS ² (r _f + R _L ) = (I _m /2) ² (r _f + R _L )

В _м — пик Ток |

P _DC = I _AVG ² R _L = (I _м / π) ² R _L

Для однополупериодного выпрямителя КПД η = P _DC / P _AC = ((I _m / π) ² R _L ) / ((I _m /2) ² (R _F + R _L ))

= 4 R _L / π ² (r _f + R _L ) = 0.405 R _L / (R _F + R _L )

Следовательно, максимальная эффективность = 40,5%

КПД двухполупериодного выпрямителя

Аналогично для двухполупериодного выпрямителя,

I _RMS = I _м / √ 2, P _AC = (I _м / √ 2) ² (r _f + R _L )

P _DC = (2 I _м / π) ² R _L

Для однополупериодного выпрямителя КПД η = P _DC / P _AC = ((2 I _m / π) ² R _L ) / ((I _m / √ 2) ² (R _F + R _L ))

= 8 R _L / π ² (r _f + R _L ) = 0.810 R _L / (R _F + R _L )

Максимальная эффективность = 81,0%

Следовательно, мы можем видеть, что эффективность двухполупериодного выпрямителя вдвое выше, чем у полуволнового выпрямителя.

---

Переменный ток в постоянный ток

1. Схема выпрямителя
2. Контур фильтра
3. Схема регулятора напряжения

---

3.2: Выпрямление — Engineering LibreTexts

Выпрямление — это процесс преобразования формы волны переменного тока в форму волны постоянного тока, т.е.е., создавая новый сигнал только с одной полярностью. В этом отношении это напоминает обычное определение этого слова, например, где «исправить ситуацию» означает «исправить что-то». Прежде чем продолжить, помните, что напряжение или ток постоянного тока не обязательно должны иметь постоянное значение (как у батареи). Все это означает, что полярность сигнала никогда не меняется. Чтобы различать фиксированное значение постоянного тока и значение, которое изменяется по амплитуде регулярно, последнее иногда называют пульсирующим постоянным током.

Концепция выпрямления имеет решающее значение для работы современных электронных схем. Большинству электронных устройств, таких как телевизор или компьютер, требуется постоянное постоянное напряжение для питания своих внутренних схем. Напротив, для распределения электроэнергии в жилых и коммерческих помещениях обычно используется переменный ток. Следовательно, требуется некоторая форма преобразования переменного тока в постоянный ¹ . Здесь и проявляется асимметрия диода.

3.2.1: Полуволновое выпрямление

Чтобы понять работу одного диода в цепи переменного тока, рассмотрим схему на рисунке \ (\ PageIndex {1} \).Это простая последовательная петля, состоящая из источника синусоидальной волны, диода и резистора, который служит нагрузкой. То есть в первую очередь нас будет интересовать напряжение, развиваемое на резисторе.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Базовая схема диод-резистор переменного тока.

Для положительных частей входной волны диод будет смещен в прямом направлении. В первом приближении это будет замкнутый переключатель. Следовательно, весь входной сигнал будет падать на резистор.Напротив, когда входной сигнал переключается на отрицательную полярность на другой половине формы волны, диод будет смещен в обратном направлении. Следовательно, диод действует как разомкнутый переключатель. Циркулирующий ток падает до нуля, тем самым не создавая напряжения на резисторе. Весь приложенный потенциал падает на диоде, как указано в законе напряжения Кирхгофа (KVL). Формы напряжения входного и нагрузочного резистора можно увидеть на Рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Форма волны полуволнового выпрямления.

Результирующий сигнал, видимый на нагрузочном резисторе, представляет собой пульсирующую форму волны постоянного тока. Мы эффективно удалили отрицательную половину сигнала, оставив только положительную часть. Поскольку только половина входного сигнала попадает в нагрузку, это называется полуволновым выпрямлением.

Стоит отметить, что если пиковое входное напряжение переменного тока невелико, может быть очевидное несоответствие между пиковыми уровнями входных сигналов и сигналов нагрузки. Например, если пиковое входное напряжение находится в диапазоне трех или четырех вольт и используется кремниевый диод, результирующая форма волны будет больше похожа на рисунок \ (\ PageIndex {3} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \): Форма волны полуволнового выпрямления, включая прямое падение диода.

В этом случае прямое падение 0,7 В не может быть проигнорировано, так как оно представляет собой значительный процент от входного пика. Положительные импульсы также немного сужены, поскольку ток не начнет течь на разумных уровнях, пока входное напряжение не достигнет 0,6–0,7 вольт.

Если бы диод был ориентирован в обратном направлении, он заблокировал бы положительную часть входа и пропустил бы только отрицательную часть.В этом случае форма волны нагрузки будет перевернута сверху вниз по сравнению с рисунками \ (\ PageIndex {2} \) и \ (\ PageIndex {3} \).

Компьютерное моделирование

Схема моделирования простого однополупериодного выпрямителя показана на рисунке \ (\ PageIndex {4} \). Источник синусоидальной волны с пиковым напряжением 10 В используется для питания популярного выпрямительного диода серии 1N4000, подключенного к нагрузке 100 \ (\ Omega \). Частота источника составляет 60 Гц, что является североамериканским стандартом распределения электроэнергии.

Выполняется анализ переходных процессов, в результате чего получаются формы сигналов, показанные на рисунке \ (\ PageIndex {5} \).Форма волны напряжения источника показана красным, а форма волны напряжения нагрузки — синим. Хотя полуволновое выпрямление очевидно, потери из-за прямого падения напряжения на диоде очевидны. На основе вертикальной шкалы разумной оценкой будет значение чуть меньше одного вольт. Моделирование хорошо согласуется с ожидаемым результатом, показанным на рисунке \ (\ PageIndex {3} \), хотя и не столь экстремальным из-за повышенного напряжения источника.

Рисунок \ (\ PageIndex {4} \): Схема моделирования полуволнового выпрямителя.

Рисунок \ (\ PageIndex {5} \): Анализ переходных процессов для полуволнового выпрямителя.

С практической точки зрения, когда дело доходит до преобразования переменного тока в постоянный, следует учитывать еще два момента. Первый вопрос — это масштабирование выходного напряжения 120 В переменного тока (среднеквадратичное значение) до более полезного уровня. Во многих случаях это означает снижение напряжения, хотя в некоторых приложениях, например в усилителях большой мощности, напряжение необходимо повышать. Второй пункт включает в себя сглаживание пульсирующего постоянного тока для получения постоянного значения, как у батареи.

3.2.2: Примечание относительно трансформаторов

Вышеупомянутую проблему масштабирования напряжения можно решить с помощью трансформатора. Хотя полное изучение трансформаторов выходит за рамки этой главы, мы можем представить основы. Проще говоря, трансформатор имеет входную сторону, или первичную, и выходную, или вторичную. Каждая сторона состоит из катушки с проволокой, и эти катушки намотаны на общий магнитный сердечник. Ток в катушке первичной стороны создает магнитный поток в сердечнике.Этот поток индуцирует ток во вторичной обмотке. В идеале напряжение снижается, а ток увеличивается пропорционально количеству витков между этими катушками. Например, если катушка вторичной стороны имеет вдвое меньше витков, чем катушка первичной стороны, то вторичное напряжение будет составлять половину первичного напряжения, а ее ток будет вдвое больше, чем первичный ток. Это означает, что в идеальном случае трансформатор не теряет мощность. Он просто преобразует мощность из высокого напряжения / низкого тока в низковольтное / сильноточное (или наоборот), отсюда и название.На самом деле трансформаторы имеют ограничения по напряжению и току, и они указаны в терминах номинального значения вольт-ампер или ВА, которое является просто произведением номинального вторичного напряжения и максимально допустимого вторичного тока. Трансформаторы, понижающие напряжение, называются понижающими, а трансформаторы, повышающие напряжение, — повышающими. Наконец, можно создавать трансформаторы с несколькими первичными и вторичными обмотками (с помощью отдельных катушек или многоотводных катушек). Полученные последовательные и параллельные конфигурации катушек делают их гораздо более гибкими.

3.2.3: Сглаживание (фильтрация) вывода

Вторая проблема — это сглаживание и выравнивание пульсирующего постоянного тока. Самый простой способ добиться этого — добавить конденсатор параллельно нагрузке. Конденсатор заряжается во время фазы проводимости, таким образом накапливая энергию. Когда диод выключится, конденсатор начнет разряжаться, передавая накопленную энергию нагрузке. Чем больше конденсатор, тем больше его емкость и более плавным будет напряжение нагрузки.Как мы увидим, у больших конденсаторов есть и обратная сторона. Следовательно, цель состоит не в том, чтобы использовать как можно больший конденсатор, а в том, чтобы использовать оптимальный размер для данного приложения. Полупериодный выпрямитель с трансформатором и конденсатором показан на рисунке \ (\ PageIndex {6} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {6} \): Однополупериодный выпрямитель с трансформатором и фильтрующим конденсатором.

Один из способов рассмотрения включения сглаживающего конденсатора — это предположить, что он вместе с сопротивлением нагрузки составляет цепь разряда \ (RC \).Для достижения плавного напряжения нагрузки постоянная времени разряда должна быть намного больше, чем промежуток, возникающий при выключении диода. Для работы с частотой 60 Гц этот промежуток составляет половину периода, или примерно 8,3 миллисекунды. Уравнение постоянной времени:

\ [\ tau = RC \ nonumber \]

Помня, что за одну постоянную времени напряжение конденсатора упадет до уровня значительно ниже половины начального значения (примерно 37%), нам понадобится постоянная времени, в несколько раз превышающая 8,3 миллисекунды. Например, предположим, что эффективное сопротивление нагрузки равно 100 \ (\ Omega \).Если мы используем конденсатор емкостью 1000 мкФ, результирующая постоянная времени будет 100 миллисекунд, или более чем в десять раз больше длительности промежутка. Конденсатор гораздо меньшего размера, скажем, около 50 мкФ, не будет столь же эффективным для поддержания постоянного напряжения.

Изменение выходного напряжения из-за разряда конденсатора называется пульсацией. Его можно смоделировать как напряжение переменного тока на выходе постоянного тока большей мощности. Величина пульсации ухудшается с увеличением тока нагрузки. В условиях небольшой нагрузки выходное напряжение будет стремиться к пиковому напряжению вторичной обмотки с очень небольшими колебаниями.По мере увеличения тока нагрузки величина пульсаций увеличивается, и номинальное выходное напряжение начинает падать.

Компьютерное моделирование

Два варианта полуволнового выпрямителя с фильтром смоделированы ниже. Обе версии используют нагрузку 100 \ (\ Omega \) с источником 10 В, аналогично предыдущему моделированию. Первая версия использует конденсатор фильтра 50 \ (\ mu \) F, а вторая увеличивает его до 1000 \ (\ mu \) F. В обоих случаях резистор 1 \ (\ Omega \) добавлен последовательно с конденсатором, чтобы служить датчиком тока.Первая версия показана на рисунке \ (\ PageIndex {7} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {7} \): Схема моделирования для однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра 50 \ (\ mu \) F.

График моделирования анализа переходных процессов показан на рисунке \ (\ PageIndex {8} \). Форма входного сигнала окрашена в синий цвет, а напряжение нагрузки — в красный. Сравнение этой формы сигнала с изображенной на рисунке \ (\ PageIndex {5} \) показывает эффект растяжения импульса конденсатором и частичного заполнения промежутка.Очевидно, что этот конденсатор слишком мал, учитывая сопротивление нагрузки и результирующую потребность в токе. Действительно, к моменту поступления следующего импульса конденсатор почти разряжен, и выходное напряжение упало примерно до одного вольт.

Рисунок \ (\ PageIndex {8} \): Моделирование анализа переходных процессов для полуволнового выпрямителя с использованием конденсатора фильтра 50 \ (\ mu \) F.

На рисунке \ (\ PageIndex {9} \) моделирование повторяется, но на этот раз с использованием конденсатора 1000 \ (\ mu \) F вместо 50 \ (\ mu \) F.Как и ожидалось, увеличенная постоянная времени \ (RC \) приводит к гораздо более стабильному напряжению нагрузки. В этой версии выходное напряжение упало с немногим более девяти вольт до примерно восьми вольт, что дает размах колебаний в полтора вольта или около того. Пиковое напряжение чуть более девяти вольт по сравнению с приложенными десятью вольт в основном связано с падением напряжения на выпрямительном диоде.

Рисунок \ (\ PageIndex {9} \): Моделирование анализа переходных процессов для полуволнового выпрямителя с использованием конденсатора фильтра 1000 \ (\ mu \) F.

Одна вещь, которая не может быть очевидна сразу, — это то, что время зарядки для большего конденсатора намного короче, чем для меньшего. Возможно, это нелогично. С конденсатором большего размера диод включается на более короткое время, потому что его катод удерживается под высоким напряжением из-за конденсатора. То есть он включится только тогда, когда входное напряжение превысит напряжение конденсатора примерно на 0,7 вольт. Только в это время конденсатор будет пополняться, и это может привести к очень большим скачкам тока.

Чтобы исследовать этот эффект, моделирование повторяется, но на этот раз добавляется напряжение на чувствительном резисторе 1 \ (\ Omega \). Это относительно небольшое значение будет иметь лишь умеренное влияние на зарядку и разрядку и удобно масштабируется до текущего значения (т.е. 100 милливольт означает 100 миллиампер). Сначала рассмотрим моделирование переходных процессов на Рисунке \ (\ PageIndex {10} \) с использованием конденсатора 50 \ (\ mu \) Ф.

Красная развертка — это выходное напряжение, а синяя развертка — ток конденсатора.На графике выходного напряжения используется левая вертикальная ось, а на графике тока — правая вертикальная ось. Когда напряжение нагрузки начинает расти, мы видим резкий скачок тока конденсатора. Это ток, заряжающий конденсатор, и его пиковое значение составляет около 180 мА. Общее время фазы зарядки составляет около 4 миллисекунд. Как только выходное напряжение достигает пика, конденсатор начинает разряжаться в нагрузку. Обратите внимание, что во время фазы разряда полярность тока конденсатора изменилась. Он отрицательный, достигает максимума примерно -80 миллиампер и передает ток на нагрузку.

Рисунок \ (\ PageIndex {10} \): Форма кривой тока анализа переходных процессов с использованием конденсатора фильтра 50 \ (\ mu \) F.

Это моделирование повторяется с использованием конденсатора емкостью 1000 мкФ. Результаты показаны на рисунке \ (\ PageIndex {11} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {11} \): Форма кривой тока анализа переходных процессов с использованием конденсатора фильтра 1000 \ (\ mu \) F.

Синий сигнал тока достигает пика примерно при 800 мА, что более чем в четыре раза превышает значение по сравнению с использованием меньшего конденсатора.Кроме того, ширина положительного импульса уменьшилась примерно до 2,5 миллисекунд. Фаза разряда почти плоская, что означает, что выходное напряжение должно быть более стабильным, поскольку этот конденсатор является единственным источником тока нагрузки во время этой фазы.

3.2.4: Двухполупериодное выпрямление

Усовершенствованием полуволнового выпрямления является двухполупериодное выпрямление. Полуволновое выпрямление неэффективно, потому что оно по существу отбрасывает отрицательную часть входного сигнала. Напротив, двухполупериодное выпрямление использует отрицательную часть, инвертируя или меняя ее полярность.Полученная схема немного больше и сложнее, но приводит к значительному повышению производительности. Например, размер конденсатора фильтра значительно уменьшен.

Существует два популярных метода двухполупериодного выпрямления. В первом методе используется пара диодов с вторичной обмоткой с отводом от центра (т. Е. Разделенной). Второй метод использует схему из четырех диодных мостов. Форма диодного моста также способна создавать биполярный выход (то есть положительный выход вместе с отрицательным выходом, как правило, той же величины).

Вторичная цепь с двумя диодами с отводом от центра показана на рисунке \ (\ PageIndex {12} \). Эта схема также включает конденсатор фильтра.

Рисунок \ (\ PageIndex {12} \): Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом и конденсатором.

Операция следующая. Во время положительной половины напряжения источника диод \ (D_1 \) смещен в прямом направлении, а \ (D_2 \) — в обратном. Поэтому верхняя половина вторичной обмотки ведет себя как простой полуволновой выпрямитель, позволяя току течь через \ (D_1 \) в нагрузку.Из-за обратного смещения на \ (D_2 \) нижняя половина представляет собой разомкнутую цепь и эффективно удаляется. В зеркальном режиме, когда приложенный потенциал переключает полярность \ (D_1 \) будет смещена в обратном направлении, а \ (D_2 \) станет смещенной в прямом направлении. Теперь ток свободно течет через \ (D_2 \) в нагрузку. Таким образом, используются обе половины входного сигнала. Результирующие формы сигналов показаны на рисунке \ (\ PageIndex {13} \). Для ясности фильтрующий эффект конденсатора не показан, а \ (V_ {in} \) представляет половину общего вторичного напряжения.

Рисунок \ (\ PageIndex {13} \): формы сигналов двухполупериодного выпрямителя.

Важно помнить об этой конфигурации, что нагрузка «видит» только половину вторичной обмотки в любой момент времени. Следовательно, напряжение нагрузки будет составлять только половину от общего вторичного напряжения (минус одно прямое падение на диоде). Например, если коэффициент трансформации трансформатора составляет 10: 1, и он питается от стандартного источника на 120 вольт, вторичная обмотка будет выдавать среднеквадратичное значение 12 вольт. Если не учитывать падение напряжения на диоде, нагрузка будет видеть половину этого значения, или 6 вольт RMS (около 8.5 вольт пик). Как правило, трансформаторы рассчитываются по их общему вторичному напряжению, поэтому этот трансформатор будет называться «вторичная обмотка на 12 В с центральным отводом».

Четырехдиодный мостовой выпрямитель показан на рисунке \ (\ PageIndex {14} \). Конденсатор фильтра включен. Также обратите внимание на использование стандартной вторичной обмотки без центрального отвода. Поскольку это очень распространенная конфигурация, четырехдиодный мост доступен в виде одной четырехпроводной детали различных размеров и токовой нагрузки.

Рисунок \ (\ PageIndex {14} \): Двухполупериодный мостовой выпрямитель с конденсатором.

Работа этой схемы проиллюстрирована на рисунке \ (\ PageIndex {15} \) для положительной части входа. Сначала ток течет от верхней части вторичной обмотки к переходу \ (D_1 / D_2 \). Только \ (D_2 \) предлагает путь прямого смещения, поэтому ток течет через \ (D_2 \) к соединению с \ (D_4 \) и нагрузкой. Поскольку \ (D_4 \) представляет собой путь обратного смещения, ток должен течь вниз через нагрузку. С земли ток продолжается до перехода \ (D_1 / D_3 \). Хотя на первый взгляд кажется, что ток может протекать через любой диод, помните, что катод \ (D_1 \) привязан к верхней стороне вторичной обмотки.Следовательно, его потенциал должен быть выше, чем на анодной стороне, что делает его смещенным в обратном направлении. Следовательно, ток течет вниз через \ (D_3 \). Аналогичная ситуация возникает в \ (D_4 \), и ток направляется обратно к низкому уровню вторичной обмотки. Короче говоря, \ (D_2 \) и \ (D_3 \) смещены в прямом направлении, а \ (D_1 \) и \ (D_4 \) — в обратном. Нагрузка видит все вторичное напряжение за вычетом двух прямых диодных падений.

Рисунок \ (\ PageIndex {15} \): Анализ двухполупериодного мостового выпрямителя, положительный вход.

Во время части входа с отрицательной полярностью ситуация меняется на обратную, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {16} \). Ток будет течь снизу вторичной обмотки через \ (D_4 \), вниз через нагрузку и, наконец, обратно к верхней части вторичной обмотки через \ (D_1 \). Таким образом, \ (D_1 \) и \ (D_4 \) смещены вперед, а \ (D_2 \) и \ (D_3 \) — смещены в обратном направлении. Важно то, что в обоих случаях ток течет через нагрузку сверху вниз, что приводит к положительному выходному напряжению.

Рисунок \ (\ PageIndex {16} \): Анализ двухполупериодного мостового выпрямителя, отрицательный вход.

Пример \ (\ PageIndex {1} \)

Разработайте выпрямитель / фильтр, который будет обеспечивать выходное напряжение приблизительно 30 вольт при максимальном потребляемом токе 300 миллиампер. Он должен питаться от источника 120 В переменного тока (среднеквадратичное значение). Пульсации напряжения должны быть менее 10% от номинального выходного напряжения при полной нагрузке.

В этом дизайне мы сосредоточимся на использовании стандартных готовых деталей.Как мы видели, двухполупериодные выпрямители более эффективны при преобразовании переменного тока в постоянный, поэтому мы пойдем по этому пути, в частности, с использованием четырехдиодного моста. Мы будем использовать схему на Рисунке \ (\ PageIndex {14} \) в качестве руководства.

Первое, что нужно учитывать, — это размер трансформатора. Для выхода 30 вольт потребуется пиковое вторичное напряжение не менее 32 вольт, так как мы должны добавить два прямых падения диода. Эквивалентное среднеквадратичное значение равно \ (32 / \ sqrt {2} \) или 22,6 вольт. При полной нагрузке отфильтрованное выходное напряжение несколько упадет, поэтому требуется несколько большее значение.Стандартной вторичной обмотки 24 В должно хватить. Учитывая номинальный ток нагрузки 300 мА, трансформатор должен быть не менее 0,3 А \ (\ cdot \) 24 В или 7,2 ВА.

Что касается конденсатора, то он должен быть рассчитан на пиковое напряжение. Пиковое значение равно 24 В переменного тока RMS \ (\ cdot \ sqrt {2} \) или 34 вольт. Хотя можно попробовать конденсатор номиналом 35 В, стандартный номинал 50 В оставит большой запас прочности и повысит надежность. Чтобы найти значение емкости, мы должны сначала найти эффективное сопротивление нагрузки наихудшего случая.

\ [R = \ frac {V_ {out}} {I_ {max}} \ nonumber \]

\ [R = \ frac {30 V} {0,3 A} \ nonumber \]

\ [R = 100 \ Omega \ nonumber \]

Будет полезно сравнить это с моделированием, изображенным на рисунке \ (\ PageIndex {9} \). Наша спецификация пульсации несколько жестче, чем полученная в предыдущем моделировании. Это становится очевидным, если посмотреть, насколько сильно снизилось выходное напряжение к середине выключенной части цикла. Следовательно, нам потребуется большая постоянная времени, возможно, в два раза.Это дает нам 200 миллисекунд.

\ [\ tau = RC \ nonumber \]

\ [C = \ frac {\ tau} {R} \ nonumber \]

\ [C = \ frac {0.2s} {100 \ Omega} \ nonumber \]

\ [C = 2000 \ mu F \ nonumber \]

Стандартного значения 2200 \ (\ mu \) F должно быть достаточно.

Компьютерное моделирование

Для проверки наших результатов смоделирован дизайн из примера \ (\ PageIndex {1} \). Схема показана на рисунке \ (\ PageIndex {17} \). Чтобы упростить моделирование, вместо трансформатора используется источник среднеквадратичного напряжения 24 В.Нагрузка наихудшего случая моделируется через резистор 100 \ (\ Omega \). Для первоначального теста конденсатор фильтра не используется, чтобы мы могли гарантировать правильное пиковое напряжение и формы сигналов. Результаты переходного анализа показаны на рисунке \ (\ PageIndex {18} \). Вторичное напряжение показано красным цветом, а напряжение нагрузки — синим. Полная форма волны в точности такая, как ожидалось, включая небольшое снижение пикового значения напряжения из-за падения двух прямых диодов. Пиковое значение выходного напряжения чуть выше 30 вольт, как и нужно.

Рисунок \ (\ PageIndex {17} \): Схема моделирования для разработки примера \ (\ PageIndex {1} \) без конденсатора.

Рисунок \ (\ PageIndex {18} \): переходный анализ конструкции примера \ (\ PageIndex {1} \) без конденсатора.

Теперь, когда мы уверены в уровне напряжения и форме сигнала, добавлен конденсатор выходного фильтра, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {19} \). Анализ переходных процессов снова запускается с полученными формами входного напряжения и напряжения нагрузки, показанными на рисунке \ (\ PageIndex {20} \).Напряжение нагрузки показано красным. Среднее значение составляет чуть более 30 вольт, а размах колебаний — менее двух вольт, как и нужно. Обратите внимание, что пиковое напряжение полной нагрузки с конденсатором немного меньше, чем то, что было в версии без конденсатора. Если потребление тока нагрузки увеличится, падение и пульсация ухудшатся.

Рисунок \ (\ PageIndex {19} \): Схема моделирования для разработки примера \ (\ PageIndex {1} \) с конденсатором.

Рисунок \ (\ PageIndex {20} \): переходный анализ конструкции примера \ (\ PageIndex {1} \) с конденсатором.

3.2.5: Двухполупериодный мост с двумя выходами

Как уже упоминалось, двухполупериодный мост можно настроить для создания биполярного источника питания с двумя выходами. Это показано на рисунке \ (\ PageIndex {21} \). Обратите внимание на наличие центрального отвода на вторичной обмотке трансформатора и расположение заземляющего соединения между двумя нагрузками и соответствующими конденсаторами.

Рисунок \ (\ PageIndex {21} \): Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Один из способов думать об этом заключается в том, что мы просто создали новую контрольную точку, разделив пополам общий выходной потенциал схемы, представленной на рисунке \ (\ PageIndex {14} \).С другой стороны, это можно рассматривать как верхнюю половину вторичного привода \ (R_ {load +} \), в то время как нижнюю половину привода \ (R_ {load -} \), как если бы мостовая и двухдиодная версии были каким-то образом объединены в аварии с транспортером, как в фильме 1958 года «Муха», хотя он не кричит: «Помогите мне! Помоги мне!» крошечным голосом в конце.

3.2.6: Постановление Зенера

Добавление конденсатора большой емкости к выпрямителю необходимо для хранения и передачи энергии, чтобы получить плавное, идеально неизменяющееся напряжение.Как отмечалось ранее, при большой нагрузке пульсации увеличиваются по амплитуде, а среднее напряжение падает. Эту проблему можно значительно уменьшить, добавив к выходу стабилитрон и токоограничивающий резистор после конденсатора. Это называется стабилитроном и показано на рисунке \ (\ PageIndex {22} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {22} \): Простой стабилитрон.

Регулятор стабилитрона работает довольно просто. Напомним, что при обратном смещении с достаточно большим потенциалом нормальное поведение обратного диода разомкнутого переключателя резко меняется, чтобы поддерживать фиксированное напряжение; потенциал стабилитрона.При достижении этого потенциала ток через диод начинает резко возрастать. Если мы поместим стабилитрон на выходе нашего выпрямителя с фильтром, стабилитрон попытается ограничить выходное напряжение до потенциала Зенера. Чтобы предотвратить чрезмерное и, возможно, разрушительное потребление тока диодом Зенера, разница напряжений между напряжением конденсатора и потенциалом Зенера снижается на последовательном резисторе, ограничивающем ток. Этот ограничивающий резистор устанавливает максимальный выходной ток.Затем этот ток разделяется между стабилитроном и нагрузкой. В условиях небольшой нагрузки большая часть этого тока будет проходить через стабилитрон. В условиях большой нагрузки большая часть тока будет потребляться нагрузкой с небольшим протеканием через стабилитрон. Если потребность в токе нагрузки слишком велика, стабилитрон перестанет проводить ток. Регулирование теряется, и ограничивающий резистор образует делитель напряжения с нагрузкой.

Полная схема выпрямителя / фильтра / стабилитрона показана на рисунке \ (\ PageIndex {22} \).Давайте посмотрим, как \ (R_ {limit} \) взаимодействует с нагрузкой.

Рисунок \ (\ PageIndex {22} \): Двухполупериодный мостовой выпрямитель и фильтр с стабилитроном.

Для правильной работы потенциал Зенера (\ (D_5 \)) является желаемым выходным напряжением постоянного тока, а пиковое вторичное напряжение устанавливается несколько выше. Мы хотим гарантировать, что в условиях полной нагрузки самое низкое напряжение конденсатора из-за пульсаций все еще будет больше, чем желаемое выходное напряжение постоянного тока. Разница между напряжением конденсатора и потенциалом Зенера падает на \ (R_ {limit} \).Следовательно,

\ [I = \ frac {V_ {cap} −V_Z} {R_ {limit}} \ nonumber \]

В условиях холостого хода весь этот ток течет вниз через стабилитрон. Максимальный ток нагрузки равен этому значению (в этот момент ток через стабилитрон не течет).

Пример \ (\ PageIndex {2} \)

Определите максимальный ток нагрузки для источника постоянного тока, как показано на рисунке \ (\ PageIndex {22} \). Напряжение конденсатора составляет в среднем 15 вольт с пульсацией \ (\ pm \) 1 вольт (т.е.е., падение 16 вольт до 14 вольт). Потенциал стабилитрона составляет 12 вольт, а \ (R_ {limit} \) составляет 4,7 \ (\ Omega \).

Максимально возможный непрерывный ток нагрузки — это ток через \ (R_ {limit} \) (без учета \ (I_ {ZT} \)). Предельный случай для непрерывного потребления будет иметь место, когда напряжение конденсатора будет на самом низком значении, или 14 вольт.

\ [I = \ frac {V_ {cap} −V_Z} {R_ {limit}} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {14 В −12 В} {4.7 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 426 мА (\ text {фактически на несколько мА меньше из-за} I_ {ZT}) \ nonumber \]

Наибольший пиковый ток через стабилитрон обнаруживается при максимальном напряжении конденсатора и предполагает, что нагрузка не потребляет ток.

\ [I = \ frac {V_ {cap} −V_Z} {R_ {limit}} \ nonumber \]

\ [I = \ frac {16 В −12 В} {4.7 \ Omega} \ nonumber \]

\ [I = 851 мА \ nonumber \]

Обратите внимание, что в этом наихудшем случае ток, умноженный на потенциал стабилитрона, дает рассеиваемую мощность около 10 Вт. Конечно, при нормальной работе с потребляемым током нагрузки рассеивание на диодах значительно снижается. Интересно отметить, что стабилитрон рассеивает максимальную мощность, когда ток нагрузки равен нулю. Следовательно, мы можем думать об этой схеме как о смещении тока от стабилитрона к нагрузке, поскольку нагрузка требует большего тока ² .

Список литературы

¹ Если вам интересно, почему мы не используем вместо этого просто распределение постоянного тока, чтобы «вырезать среднего человека», причин для этого множество. Во-первых, обычно более эффективно распределять мощность по переменному току, а не по постоянному току. Во-вторых, даже если постоянный ток доступен, он может быть не той амплитуды, которую требует схема. Следовательно, потребуется некоторая форма преобразования постоянного тока в постоянный. В зависимости от области применения это может оказаться дороже, чем преобразование переменного тока в постоянный.

² Как вы могли догадаться, это не особенно эффективно, потому что даже когда нагрузка равна нулю, стабилитрон все еще потребляет ток от трансформатора. Усовершенствованная схема может включать в себя биполярный транзистор, как рассмотрено в главе 4. Для получения подробной информации о более сложных методах регулирования напряжения см. Fiore, J, Operational Amplifiers and Linear Integrated Circuits: Theory and Application, еще один бесплатный текст OER.

Shahram Marivani — ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

ПОЛНОВОЛНОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ И ИСТОЧНИКИ ПИТАНИЯ

Цель:

Целью этого эксперимента является изучение рабочих характеристик и характеристик двухполупериодных выпрямителей и источников питания постоянного тока, использующих стабилитрон в качестве устройства стабилизации напряжения.Будут изучены и измерены характеристики двухполупериодного выпрямителя, а также стабилитрона.

Введение:

Одно из важных применений диодов с P-N переходом — преобразование переменного тока (AC) в постоянный ток (DC). Можно использовать полуволновые выпрямители, но они крайне неэффективны при преобразовании мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Кроме того, они имеют высокое содержание гармоник, которые трудно отфильтровать и сгладить пульсации выпрямленного переменного тока.С другой стороны, двухполупериодный выпрямитель повышает эффективность преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока. Это также уменьшит содержание гармоник в выпрямленной форме волны и снизит требования к сглаживающему фильтру, необходимому для уменьшения пульсаций в выпрямленной форме волны. Типичная форма сигнала двухполупериодного выпрямителя показана на рисунке 1.

Рисунок 1 — Формы выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя; темная линия — это отфильтрованный вывод, а более тонкая линия — нефильтрованный вывод.Стабилитроны

— это специальные диоды, предназначенные для поддержания фиксированного напряжения на нагрузке. Они предназначены для «пробоя» надежным и неразрушающим образом, когда они смещены в обратном направлении напряжением, превышающим напряжение пробоя. Типичная характеристика постоянного тока стабилитрона показана на рисунке 2. Перегиб в области обратного смещения на рисунке 2 — это «напряжение пробоя» стабилитрона. Однако это напряжение также известно как напряжение Зенера.

Рисунок 2 — Вольт-амперная характеристика кремниевого стабилитрона. Стабилитроны

имеют номинальное напряжение пробоя и максимальную мощность.Минимальное доступное напряжение стабилитрона составляет 2,7 В, тогда как номинальная мощность составляет 400 мВт и 1,3 Вт. Схема подключения стабилитрона в качестве базовой цепи стабилизации напряжения показана на рисунке 3.

Рисунок 3 — Подключение стабилитрона в качестве регулятора напряжения

Полный и стабилизированный источник питания может быть получен с помощью выпрямительных диодов для изменения мощности переменного тока на мощность постоянного тока. Выпрямленное напряжение фильтруется, чтобы уменьшить пульсации выпрямленного сигнала. Затем используется стабилитрон для регулирования напряжения до желаемого конечного значения.Простая блок-схема источника питания показана на рисунке 4.

На блок-схеме Рисунка 4 каждый отдельный блок описан более подробно ниже:

• Трансформатор: понижает напряжение сети переменного тока высокого напряжения до переменного тока низкого напряжения.
• Диодный выпрямитель: преобразует переменный ток в постоянный, но на выходе постоянного тока присутствует большая составляющая пульсаций.
• Фильтр: сглаживает постоянный ток от сильных колебаний и уменьшает составляющую пульсации.
• Регулятор напряжения: устраняет пульсации, устанавливая на выходе постоянного тока фиксированное напряжение.
• Нагрузка: это часть цепи, на которую подается питание постоянного тока для выполнения полезной работы.

Рисунок 4 — Простая блок-схема стабилизированного источника постоянного тока.

Лабораторная работа:

1. Измерение постоянной характеристики стабилитрона:
   1. Установите напряжение постоянного тока источника питания на 0 В.
   2. Подключите схему стабилитрона, как показано на рисунке 5.
   3. Изменяйте напряжение питания постоянного тока небольшими шагами.Используйте цифровой вольтметр, измерьте V _в , V _R и V _D , как показано на рисунке 5. Сведите данные измерений в таблицу.
   4. Для каждого шага вычислите постоянный ток через диод, который равен (В _R /2000).
   5. Поменяйте полярность источника питания постоянного тока на рис. 5. Повторите шаги измерения с 1.a до 1.d.
   
   Рисунок 5 — Схема подключения для измерения характеристики постоянного тока стабилитрона
2. Характеристика мостового выпрямителя:
   1. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 6, на котором R _L = 1 кОм.Не подключайте конденсатор к нагрузке.
   2. Monitor V _o (см. Рисунок 6) на осциллографе. ЗАПРЕЩАЕТСЯ контролировать V _s и V _o на осциллографе одновременно. Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемую форму волны. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R _L .
   3. Подключите 47 мкФ к R _L . Наблюдайте за V _или на осциллографе и фиксируйте осциллограмму. Повторите измерение с конденсатором 10 мкФ.Сравните две формы выпрямленного сигнала, полученные с разными конденсаторами.
   4. Измените нагрузочный резистор на 10 кОм и 100 кОм и контролируйте выпрямленное напряжение на выходе. Прокомментируйте влияние сопротивления нагрузки на пульсации на выходе.

Рисунок 6 — Нефильтрованный двухполупериодный выпрямитель с мостовым соединением диодов
3. Характеристика двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом:
   1. Выполните необходимые измерения на трансформаторе с центральным ответвлением, чтобы определить, какой вывод является центральным ответвлением.
   2. Подключите двухполупериодную схему выпрямителя, как показано на рисунке 7, на котором R _L = 1 кОм. Не подключайте конденсатор к нагрузке.
   3. Контролируйте на осциллографе одновременно V _s и V _o (см. Рисунок 7). Измерьте пиковое входное и пиковое выходное напряжения. Захватите отображаемые формы сигналов. С помощью цифрового вольтметра измерьте напряжение постоянного тока на R _L .
   4. Подключите 47 мкФ к R _L . Наблюдайте за V _s и V _o на осциллографе и фиксируйте обе формы сигнала.

Рисунок 7 — Нефильтрованная двухполупериодная схема выпрямителя, использованная в эксперименте.
4. Регулируемый источник питания постоянного тока:
   1. Рассмотрим схему источника питания постоянного тока, показанную на рисунке 8. Используя ранее измеренные выпрямленные напряжения постоянного тока и стабилитрон, вычислите минимальное значение R _s , необходимое для защиты стабилитрона в условиях, когда нагрузка представляет собой разомкнутую цепь (это это наихудшее состояние). Стабилитрон рассчитан на 400 мВт, а минимальный ток стабилитрона составляет 5 мА.Обсудите результат с инструктором лаборатории, прежде чем использовать его в эксперименте.
   
   Рисунок 8 — Регулируемый источник питания постоянного тока
   2. Подключите схему, показанную на Рисунке 8, и используйте значение R _s , вычисленное в 4.a. Следите за напряжением на нагрузке с помощью осциллографа. Измерьте напряжение на R _L и напряжение на R _s . Рассчитайте ток, проходящий через стабилитрон.
   3. Отсоедините R _{от L} и измерьте напряжение и ток на стабилитроне.

Результаты и обсуждения:

В дополнение к вопросам, указанным в лабораторной процедуре, выполните следующие действия и ответьте на них:

• Постройте вольт-амперную характеристику стабилитрона.
• Какое значение прямого сопротивления стабилитрона?
• Что такое напряжение стабилитрона?

Как работает мостовой выпрямитель — шаг за шагом

Мостовые выпрямители

Что такое выпрямитель?

В электронной промышленности одним из наиболее популярных применений полупроводниковых диодов является преобразование сигнала переменного тока (AC) любой частоты, которая обычно составляет 60 или 50 Гц, в сигнал постоянного тока (DC).Этот сигнал постоянного тока может использоваться для питания электронных устройств, а не батарей. Схема, которая преобразует переменный ток в сигнал постоянного тока, обычно состоит из особого набора блокированных диодов и известна как выпрямитель. В схемах питания обычно используются два типа выпрямительных схем — полуволновые и двухполупериодные. Полуполупериодные выпрямители допускают только половину цикла, тогда как двухполупериодные выпрямители пропускают как верхнюю, так и нижнюю половину цикла, преобразуя нижнюю половину в ту же полярность, что и верхняя.Это различие между ними показано на рисунке 1.

Рисунок 1: Разница между выходами полу- и двухполупериодных выпрямителей

Между двумя типами двухполупериодный выпрямитель более эффективен, поскольку он использует полный цикл входящей формы волны. Существует два типа двухполупериодных выпрямителей: двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением, для которого требуется трансформатор с центральным ответвлением, и мостовой выпрямитель, для которого не требуется трансформатор с центральным ответвлением. В этой статье будет обсуждаться мостовой выпрямитель, поскольку он является наиболее популярным и обычно поставляется в виде предварительно собранных модулей, что упрощает их использование.

В мостовых выпрямителях

используются четыре диода, которые грамотно расположены для преобразования напряжения питания переменного тока в напряжение питания постоянного тока. Выходной сигнал такой схемы всегда имеет одинаковую полярность независимо от полярности входного сигнала переменного тока. На рисунке 2 изображена схема мостового выпрямителя с блокированными диодами по мостовой схеме. Сигнал переменного тока подается на входные клеммы a и b, а выходной сигнал наблюдается через нагрузочный резистор R1.

Рисунок 2 Мостовой выпрямитель с нагрузочным резистором

Давайте посмотрим, как эта схема выпрямителя реагирует на сигнал переменного тока с изменением полярности в каждом цикле:

1. В первом положительном полупериоде сигнала переменного тока диоды D2 и D3 смещаются в прямом направлении и начинают проводить.В то же время диоды D1 и D4 будут иметь обратное смещение и не будут проводить. Ток будет протекать через нагрузочный резистор через два диода с прямым смещением. Напряжение на выходе будет положительным на клемме d и отрицательным на клемме c.
2. Теперь, во время отрицательного полупериода сигнала переменного тока, диоды D1 и D4 будут смещены в прямом направлении, а диоды D2 и D3 будут смещены в обратном направлении. Положительное напряжение появится на аноде D4, а отрицательное напряжение будет приложено к катоду D1.Здесь стоит отметить, что ток, протекающий через нагрузочный резистор, будет иметь то же направление, что и при положительном полупериоде. Следовательно, независимо от полярности входного сигнала полярность на выходе всегда будет одинаковой. Мы также можем сказать, что отрицательный полупериод сигнала переменного тока был инвертирован и проявляется как положительное напряжение на выходе.

Как конденсатор работает как фильтр?

Тем не менее, это выходное напряжение одной полярности не является чистым постоянным напряжением, поскольку оно пульсирующее, а не прямолинейное по своей природе.Эта проблема быстро решается подключением конденсатора параллельно нагрузочному резистору, как показано на рисунке 3. В этой новой конструкции положительный полупериод заряжает конденсатор через диоды D2 и D3. А во время отрицательного полупериода конденсатор перестанет заряжаться и начнет разряжаться через нагрузочный резистор.

Рисунок 3 Мостовой выпрямитель с нагрузочным резистором и фильтрующим конденсатором

Этот процесс известен как фильтрация, и конденсатор действует как фильтр.Конденсатор улучшил пульсирующий характер выходного напряжения, и теперь на нем будет только пульсация. Эта форма сигнала теперь намного ближе к форме чистого напряжения постоянного тока. Форму сигнала можно дополнительно улучшить, используя другие типы фильтров, такие как L-C-фильтр и круговой фильтр.

Типы мостовых выпрямителей

Только что обсужденный мостовой выпрямитель является однофазным, однако его также можно расширить до трехфазного выпрямителя. Эти два типа можно разделить на полностью управляемые, полууправляемые или неуправляемые мостовые выпрямители.Схема, которую мы только что обсуждали, является неконтролируемой, поскольку мы не можем контролировать смещение диода, но если все четыре диода заменить тиристором, его смещение можно контролировать, управляя его углом зажигания через его сигнал затвора. В результате получается полностью управляемый мостовой выпрямитель. В полууправляемом мостовом выпрямителе половина схемы содержит диоды, а другая половина — тиристоры.

Применение мостового выпрямителя

• Для подачи поляризованного постоянного напряжения постоянного тока при сварке.
• Внутренние блоки питания
• Зарядное устройство внутри аккумулятора
• Внутри ветряных турбин
• Для определения амплитуды модулирующих сигналов
• Для преобразования высокого переменного напряжения в низкое постоянное напряжение

Умножители напряжения

— Учебники по электронике

Под умножающим выпрямителем подразумевается выпрямитель, способный обеспечивать постоянный ток. напряжение в два или более раз превышает пиковое значение (амплитуду) V _м приложенного a.c. Напряжение. Распространенные выпрямители с умножением напряжения:

• Удвоитель напряжения: выход приблизительно 2 В _м
• Учетверитель напряжения: выход приблизительно 4 В _м

Удвоители напряжения | Выпрямители с умножением напряжения

Существуют два типа:

• Двухполупериодный удвоитель напряжения
• Полуволновый удвоитель напряжения

Двухполупериодный удвоитель напряжения | Выпрямители с умножением напряжения

Удвоитель напряжения выдает на выходе a d.c. напряжение примерно равно 2 В _м , где V _м — амплитуда приложенного переменного тока. Напряжение. На рисунке 1 представлена ​​принципиальная схема двухполупериодного удвоителя напряжения. Во время положительного полупериода приложенного переменного тока входное напряжение v _i , только диод D ₁ проводит и заряжает конденсатор C ₁ до пикового напряжения V _m приложенного переменного тока. напряжение в указанной полярности. Во время отрицательного полупериода только диод D ₂ проводит заряды конденсатора C ₂ до пикового напряжения V _m с указанной полярностью.Общее выходное напряжение v _o представляет собой сумму этих напряжений на конденсаторах C ₁ и C ₂ , которые выполняют две функции:

• Вырабатывают выходное напряжение
• Сглаживают пульсации напряжения из выпрямленного напряжения.

Удвоители напряжения, как полуволновые, так и двухполупериодные, плохо регулируют напряжение, если не используются очень большие конденсаторы.

Преимущество двухполупериодного удвоителя напряжения перед полуволновым удвоителем напряжения

• Самая низкая частота пульсаций в два раза превышает частоту питания.Следовательно, процесс удаления пульсаций напряжения проще.
• Максимальное напряжение на каждом диоде составляет всего _м В. Следовательно, диоды с более низким номинальным напряжением могут указывать на то, что можно использовать.
• Регулировка напряжения лучше, чем у полуволнового удвоителя напряжения.

Недостаток двухполупериодного удвоителя напряжения:

Нагрузочный резистор R _L — источник не имеет общей точки, которая может быть заземлена.

Удвоитель полуволнового напряжения | Выпрямители с умножением напряжения

На рисунке 2 представлена ​​принципиальная схема полуволнового удвоителя напряжения.Во время отрицательного полупериода приложенного переменного тока напряжение, только диод D ₁ заряжает конденсатор C ₁ до пикового напряжения Vm в указанной полярности. Во время положительного и положительного полупериода это напряжение V _m на конденсаторе C ₁ добавляется к входному напряжению для возбуждения тока через диод D ₂ зарядного конденсатора C ₂ до напряжения, почти равного 2 В _m с указанной полярностью. Конденсатор С ₁ , несомненно, разряжается в течение последующего отрицательного полупериода.С каждым циклом работы заряд, передаваемый от C ₁ и C ₂ во время, положительный полупериод уменьшается и, наконец, становится нулевым, когда конденсатор C ₂ заряжается до 2 В _m .

Преимущество полуволнового удвоителя напряжения

Нагрузочный резистор R _L и источник имеют общую точку, могут быть заземлены.

Недостаток полуволнового удвоителя напряжения по сравнению с полноволновым удвоителем напряжения

1. Частота пульсаций равна частоте питания.Следовательно, сглаживание выпрямленного выхода затруднено по сравнению с двухполупериодным удвоителем напряжения.
2. Максимальное напряжение на конденсаторе C ₂ составляет 2 В _м . Требуется конденсатор с более высоким номинальным напряжением.

• Регулировка напряжения относительно плохая.

Ознакомьтесь с другим учебным пособием по выпрямителю, размещенным на сайте electonicspani.com

1. Простой стабилизатор постоянного напряжения с использованием стабилитрона
2. Металлический выпрямитель | Типы металлических выпрямителей
3. Фильтры источника питания
4. Полнополупериодный мостовой выпрямитель
5. Полноволновой выпрямитель с трансформатором с центральным ответвлением

Работа полнополупериодного выпрямителя с центральным ответвлением — Учебные пособия

В нашем предыдущем обсуждении выпрямителей мы подробно обсудили -волновые выпрямители и чем они отличаются от однополупериодных выпрямителей.Мы также обсудили один тип двухполупериодного выпрямителя, мостовой двухполупериодный выпрямитель, и узнали, как он работает для выпрямления как положительных, так и отрицательных полупериодов входного переменного тока. В этом руководстве мы перейдем ко второму типу двухполупериодного выпрямителя, двухполупериодному выпрямителю с центральным отводом, и обсудим, как он работает.

Рис. 1. Типовая схема применения двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом.

Причина, по которой двухполупериодный выпрямитель этого типа называется выпрямителем с центральным отводом, заключается в том, что он использует трансформатор с центральным отводом.Если вы заметили на схематических диаграммах, которые мы показали в учебных пособиях по полуволновому и мостовому двухполупериодным выпрямителям, вы можете видеть, что трансформатор имеет только одну обмотку на вторичной стороне. Поэтому, если мы хотим создать источник питания, использующий полуволновой или мостовой двухполупериодный выпрямитель, мы просто используем трансформаторы, у которых есть только одна обмотка на вторичной стороне.

Рисунок 2а. Типовая схема применения однополупериодного выпрямителя. Рисунок 2б. Типовая схема применения мостового двухполупериодного выпрямителя.

Трансформаторы могут иметь разное количество обмоток на первичной и вторичной сторонах. Некоторые трансформаторы имеют только одну обмотку на первичной и вторичной сторонах, но большинство трансформаторов, с которыми я встречался, имеют несколько обмоток с обеих сторон. Например, Triad Magnetics VPS24-5400, который мы использовали в других руководствах, использует двойную обмотку с обеих сторон и может быть настроен на последовательную или параллельную конфигурацию. Если вам интересно узнать, как подключать трансформаторы, вы можете ознакомиться с нашим руководством здесь.

Рис. 3. Принципиальная схема трансформатора с одним, несколькими и центральными ответвлениями.

Для трансформатора с центральным отводом этот тип трансформатора предназначен для создания двух вторичных напряжений с общим соединением в центре вторичной обмотки. Таким образом, два напряжения одинаковы, и они также могут обеспечивать одинаковую мощность. Напряжение от одного конца до центрального ответвителя, очевидно, составляет половину от общего вторичного напряжения.

Рисунок 4а. Типовая схема применения выпрямителя с центральным отводом.Рисунок 4b. Типовая схема применения мостового выпрямителя.

На рисунке 4 вы можете увидеть, как трансформатор с центральным отводом подключается к двухполупериодному выпрямителю с центральным отводом. Одно из различий между выпрямителем с центральным отводом и мостовым выпрямителем заключается в количестве диодов, используемых для выпрямления как положительных, так и отрицательных полупериодов входного переменного тока. Мостовой выпрямитель использует 4 диода, в то время как выпрямитель с центральным отводом использует только 2 диода.

Работа двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом

Теперь давайте обсудим, как работает двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом.На рисунке 5 вы можете видеть полярность вторичной обмотки трансформатора с центральным отводом во время положительного полупериода входного переменного тока. В этом случае D1 смещен в прямом направлении, а D2 — в обратном. Таким образом, ток проходит через D1 и входит в нагрузку, а затем возвращается к трансформатору через соединение с центральным ответвлением, как вы можете видеть на рисунке 5.

Рисунок 5. Работа выпрямителя с центральным отводом в течение положительного полупериода входа переменного тока.

Когда вход переменного тока переключается на отрицательный полупериод, полярность вторичной обмотки трансформатора с центральным отводом меняется на обратную, как вы можете видеть на рисунке 6.Итак, на этот раз D1 смещен в обратном направлении, а D2 — в прямом. Ток протекает через D2 и входит в нагрузку в том же направлении, в каком он входил в течение положительного полупериода входа переменного тока, а затем возвращается в трансформатор через соединение с центральным ответвлением. Поскольку ток поступает в нагрузку в одном направлении как в положительном, так и в отрицательном полупериоде, напряжение на нагрузке представляет собой двухполупериодное выпрямленное напряжение постоянного тока. Но это все еще пульсирующий постоянный ток, который необходимо отфильтровать перед использованием в качестве источника постоянного тока.

Рис. 6. Работа выпрямителя с центральным отводом во время отрицательного полупериода переменного тока на входе.

Среднее значение

Аналогично мостовому двухполупериодному выпрямителю, среднее значение двухполупериодного выпрямленного напряжения можно определить по следующей формуле:

Пиковое выходное напряжение

Рис. пиковое выходное напряжение волнового выпрямителя.

Пиковое выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с центральным ответвлением равно только половине вторичного напряжения трансформатора за вычетом прямого напряжения диода.Если вы собираетесь проверить ток, протекающий в течение положительного и отрицательного полупериода входа переменного тока, вы заметите, что нагрузка воспринимает только половину вторичного напряжения трансформатора, а не полное вторичное напряжение. Итак, чтобы определить пиковое выходное напряжение на нагрузке, проверьте, что составляет половину вторичного напряжения трансформатора, и используйте это уравнение:

Пиковое обратное напряжение

Рисунок 8. Двухполупериодные выпрямительные диоды с центральным отводом пиковое обратное напряжение.

Теперь что касается пикового обратного напряжения (PIV) диодов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом, предположим, что вход переменного тока находится в положительном полупериоде (см. Рисунок 8).Таким образом, D1 проводит с падением на диоде 0,7 В, в то время как D2 имеет обратное смещение. Используя закон напряжения Кирхгофа, мы получаем это уравнение,

Переставив уравнение, мы получаем уравнение PIV:

PIV, который D2 (или D1 во время отрицательного полупериода) должен выдержать, когда в состоянии обратного смещения равен вторичному. напряжение трансформатора с центральным отводом минус одно падение на диоде, которое мы считаем равным 0,7 В.

---

Сводка

В этом руководстве мы обсудили двухполупериодные выпрямители с центральным отводом и их работу.Мы также вкратце обсудили, как устроен трансформатор с центральным отводом. Я надеюсь, что вы нашли это руководство интересным или полезным. Если у вас есть вопросы, оставьте их в комментариях ниже. Увидимся в нашем следующем уроке!

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.

---

Настройка вашего браузера для приема файлов cookie

Существует множество причин, по которым cookie не может быть установлен правильно.Ниже приведены наиболее частые причины:

• В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки своего браузера, чтобы он принимал файлы cookie, или чтобы спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
• Ваш браузер спрашивает вас, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, используйте кнопку «Назад» и примите файлы cookie.
• Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Если вы подозреваете это, попробуйте другой браузер.
• Дата на вашем компьютере в прошлом.Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы исправить это, установите правильное время и дату на своем компьютере.
• Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

---

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу.Чтобы предоставить доступ без файлов cookie потребует, чтобы сайт создавал новый сеанс для каждой посещаемой страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.

---

Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в cookie; никакая другая информация не фиксируется.