Двухполупериодная схема выпрямления: Двухполупериодный выпрямитель: схемы, принцип работы

устройство, принцип работы, обозначение на схеме

Наряду с линейными устройствами в электрической цепи можно встретить и нелинейные полупроводниковые элементы, имеющие самый разнообразный функционал в составе электронной схемы. Среди полупроводниковых приборов особое место занимает диодный мост, выполняющий роль преобразователя переменного напряжения в постоянное. Хоть для этих целей с тем же успехом может применяться и обычный диод, но сфера их применения существенно ограничивается рабочими параметрами одного элемента. Решить недостатки единичной детали помогла диодная сборка из нескольких, существенно отличающихся характеристиками и принципом работы.

Устройство и принцип работы

Диодный мост представляет собой электронную схему, собранную на основе выпрямительных диодов, который предназначен для преобразования подаваемого на него переменного тока в постоянный. Чаще всего в состав схемы включаются диоды Шоттки, но это не категоричное требование, поэтому в каком-либо конкретном случае может заменяться и другими моделями, подходящими по техническим параметрам. Схема моста из полупроводниковых диодов включает в себя четыре элемента для одной фазы. Диодный мостик может набираться как отдельными диодами, так и собираться единым блоком, в виде монолитного четырехполюсника.

Принцип работы диодного моста основывается на способности p – n перехода пропускать электрический ток только в одном направлении. Схема включения диодов в мост построена таким образом, чтобы для каждой полуволны создавался свой путь протекания электрического тока к подключенной нагрузке.

Рис. 1. Принцип работы диодного моста

Для пояснения выпрямления диодным мостом необходимо рассматривать работу схемы относительно формы напряжения на входе. Следует отметить, что кривая напряжения за один период имеет две полуволны – положительную и отрицательную. В свою очередь, каждая полуволна имеет процесс нарастания и убывания по отношению к максимальной точке амплитуды.

Поэтому работа выпрямительного устройства будет иметь такие этапы:

• На вход выпрямительного моста, обозначенного буквами А и Б подается переменное напряжение 220В.
• Каждая полуволна, подаваемая из электрической сети или от обмоток трансформатора, преобразуется в постоянную величину парой диодов, расположенных по диагонали.
• Положительная полуволна будет проводиться парой диодов VD1 и VD4 и выдавать на выход моста полуволну в положительной области оси ординат.
• Отрицательная полуволна будет выпрямляться парой диодов VD2 и VD3, с которых на том же выходе моста возникнет очередная полуволна в положительной области.

В связи с тем, что оба полупериода получают реализацию на выходе диодного моста, такое электронное устройство получило название двухполупериодного выпрямителя, также его называют схемой Гретца.

Обозначение на схеме и маркировка

На электрической схеме диодный мост может иметь различные варианты изображения. Чаще всего вы можете встретить такие обозначения:

Рис. 2. Обозначение на схеме

Первый вариант обозначения мостового выпрямителя используется, как правило, в тех ситуациях, когда электронный прибор представляет собой монолитную конструкцию, единую сборку. На схеме маркировка выполняется латинскими буквами VD, за которыми указывается порядковый номер.

Второй вариант наиболее распространен  для тех ситуаций, когда диодный мост состоит из отдельных полупроводниковых устройств, собранных в одну схему. Маркировка второго варианта, чаще всего, выполняется в виде ряда VD1 – VD4.

Следует также отметить, что вышеприведенное схематическое обозначение и маркировка хоть и имеет общепринятый характер, но может нарушаться при составлении схем.

Разновидности диодных мостов

В зависимости от количества фаз, которые подключаются к диодному мосту, различают однофазные и трехфазные модели. Первый вариант мы детально рассмотрели на примере схемы Гретца выше.

Трехфазные выпрямители, в свою очередь, разделяются на шести- и двенадцатипульсовые модели, хотя схема диодного моста у них идентична. Рассмотрим более детально работу диодного устройства для трехфазной схемы.

Рис. 3. Схема трехфазного диодного моста

Диодный мост, приведенный на рисунке выше, получил название схемы Ларионова. Конструктивно для каждой из фаз устанавливается сразу два диода в противоположном направлении друг относительно друга. Здесь важно отметить, что синусоида во всех трех фазах имеет смещение в 120° друг относительно друга, поэтому на выходах устройства при наложении результирующей диаграммы получится следующая картина:

Рис. 4. Напряжение выпрямленное трехфазным мостом

Как видите, в сравнении с однофазным выпрямителем на базе диодного моста картина получается более плавной, а скачки напряжения имеют значительно меньшую амплитуду.

Технические характеристики

При выборе конкретного диодного моста для замены в выпрямительном блоке или для любой другой схемы важно хорошо ориентироваться в основных технических параметрах.

Среди таких характеристик наиболее значимыми для диодного моста являются:

• Амплитудное максимальное напряжение обратной полярности – это пороговое значение более которого уже произойдет необратимый процесс и полупроводник выйдет со строя. Обозначается как U_Аобр в отечественных моделях или V­_rpm для зарубежных.
• Среднее обратное напряжение – представляет собой номинальное значение электрической величины, которое может прикладываться в процессе эксплуатации. Имеет обозначение  U_обр в отечественных образцах или V­_r(rms) для зарубежных диодных мостов.
• Средний выпрямленный ток – обозначает действующую величину электрического тока на выходе диодного моста. На устройствах указывается как I_пр или I_o для моделей отечественного или зарубежного производства соответственно.
• Амплитудный выпрямленный ток – это максимальный ток на выходе выпрямителя, определяемый пиком полуволны на кривой, обозначается как I_fsm для пульсирующего тока на положительном и отрицательном выводе.
• Падение напряжения в прямой полярности – определяет потерю напряжения от собственного сопротивления диодного моста. На устройстве обозначается как V­_fm.

Если вы хотите выбрать модель на замену, допустим в сети 220 В, то главный параметр для диодного моста обратный ток и напряжение. Рабочие характеристики должны значительно превышать номинал сети, к примеру, при напряжении 220 В – диодный мост должен выдерживать около 400 В. По току подойдет и меньший запас, но его также следует предусмотреть.

Преимущества и недостатки

Кроме диодного моста существуют и другие способы преобразования переменного в постоянный ток. В сравнении с однополупериодным, двухполупериодное выпрямление обладает рядом преимуществ:

• И отрицательная, и положительная полуволна синусоиды преобразуются в выходное напряжение, поэтому вся мощность трансформатора используется в наиболее оптимальной степени.
• За счет большей частоты пульсации получаемое от диодного выпрямителя напряжение куда проще сглаживать при помощи фильтров.
• Использование электроэнергии под нагрузкой уменьшает потери мощности на перемагничивание сердечника, возникающее из-за процессов взаимоиндукции в обмотках питающего трансформатора.
• Гармоничное перераспределение кривой электротока и напряжения на выходе – за счет передачи каждого полупериода сразу двумя диодами в мосте, выходной параметр получается куда более равномерным.

К недостаткам диодного моста следует отнести и большее падение напряжения, в сравнении с однополупериодной схемой или выпрямителем с отводом из средней точки. Это обусловлено тем, что ток протекает сразу черед два полупроводниковых элемента и встречает омическое сопротивление от каждого из них. Такой недостаток может оказывать существенное влияние в слаботочных цепях, где доли ампера могут решать значение сигналов, режимы работы агрегатов и т.д. В качестве решения могут применяться диодные мосты с диодами Шотки, у которых падение прямого напряжения относительно ниже.  

Еще одним недостатком является сложность определения перегоревшего звена, так как при выходе со строя хотя бы одного диода вся схема будет продолжать работать. Понять, что один из полупроводниковых элементов выпал из цепи можно лишь с помощью измерений, далеко не всегда прибор или схема отреагируют при сбое видимой неисправностью.

Практическое применение

На практике диодный мост имеет довольно широкий спектр применения – это и цифровая техника, блоки питания в персональных компьютерах, ноутбуках, различных устройствах, автомобильных генераторах, питающихся от низкого постоянного напряжения. Помимо этого их можно встретить в системах звуковоспроизведения, измерительной техники, теле- радиовещания, они устанавливаются в ряде различных устройств по всему дому. Для лучшего понимания роли диодного моста в этих приборах мы рассмотрим несколько конкретных схем, в которых он применяется.

Примеры схем с диодным мостом и их описание

Одна из наиболее простых схем с применением диодного моста – это зарядное устройство, применяемое для оборудования, питаемого низким напряжением. Один из таких вариантов рассмотрим на следующем примере

Рис. 5. Схема зарядного устройства

Как видите на рисунке, от понижающего трансформатора Т1 напряжение из переменного 220В преобразуется в переменное на уровне 7 – 9В. После этого пониженное напряжение подается на диодный мост VD, от которого выпрямленное через сглаживающий конденсатор С1 на микросхему КР. От микросхемы выпрямленное напряжение стабилизируется и выдается на клеммы разъема.

Рис. 6. Схема карманного фонаря

На рисунке выше приведен пример схемы карманного фонаря, данная модель подключается к бытовой сети 220В через розетку, что представлено соединением разъема Х1 и Х2. Далее напряжение подается на мост  VD, а с него уже на микросхему DA1, которая при наличии входного питания сигнализирует об этом через светодиод HL1. После этого напряжение питания приходит на аккумулятор GB, который заряжается и затем используется в качестве основного источника питания для лампы фонарика.

Пример схемы сварочного агрегата

Здесь представлен пример схемы сварочного агрегата, в котором диодный мост устанавливается сразу после понижающего трансформатора для выпрямления электрического тока. Из-за сложности схемы дальнейшее рассмотрение работы устройства нецелесообразно. Стоит отметить, что существуют и другие устройства с еще более сложным принципом работы – импульсные блоки питания, ШИМ модуляторы, преобразователи и т.д.

Электронные схемы — двухполупериодные выпрямители

Цепь выпрямителя, которая выпрямляет как положительные, так и отрицательные полупериоды, может называться двухполупериодным выпрямителем, поскольку выпрямляет полный цикл. Конструкция двухполупериодного выпрямителя может быть двух типов. Они есть

• Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом
• Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Оба из них имеют свои преимущества и недостатки. Давайте теперь рассмотрим как их построение, так и работу с их формами волны, чтобы узнать, какая из них лучше и почему.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

Цепь выпрямителя, чья вторичная обмотка трансформатора подключена для получения требуемого выходного напряжения, с использованием двух диодов для альтернативного выпрямления полного цикла, называется двухполупериодной цепью выпрямителя с центральным отводом . В отличие от других случаев трансформатор здесь отводится по центру.

Особенности центрирующего трансформатора —

• Постукивание осуществляется путем вытягивания провода в средней точке вторичной обмотки. При этом эта обмотка делится на две равные половины.

• Напряжение в повернутой средней точке равно нулю. Это формирует нейтральную точку.

• Отвод по центру обеспечивает два отдельных выходных напряжения, которые равны по величине, но противоположны по полярности друг другу.

• Для получения различных уровней напряжений можно вытянуть несколько обмоток.

Постукивание осуществляется путем вытягивания провода в средней точке вторичной обмотки. При этом эта обмотка делится на две равные половины.

Напряжение в повернутой средней точке равно нулю. Это формирует нейтральную точку.

Отвод по центру обеспечивает два отдельных выходных напряжения, которые равны по величине, но противоположны по полярности друг другу.

Для получения различных уровней напряжений можно вытянуть несколько обмоток.

Трансформатор с центральным отводом и двумя выпрямительными диодами используется в конструкции двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом . Принципиальная электрическая схема двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом показана ниже.

Работа CT-FWR

Работу двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом можно понять по приведенному выше рисунку. Когда прикладывается положительный полупериод входного напряжения, точка М на вторичной обмотке трансформатора становится положительной по отношению к точке N. Это делает диод D1 смещенным в прямом направлении. Следовательно, ток i1 протекает через нагрузочный резистор от A до B. Теперь у нас есть положительные полупериоды на выходе

Когда прикладывается отрицательный полупериод входного напряжения, точка М на вторичной обмотке трансформатора становится отрицательной по отношению к точке N. Это делает диод D2 смещенным в прямом направлении. Следовательно, ток i2 протекает через нагрузочный резистор от А до В. Теперь у нас есть положительные полупериоды на выходе, даже во время отрицательных полупериодов на входе.

Формы волны CT FWR

Форма входных и выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом выглядит следующим образом.

Из приведенного выше рисунка видно, что выходные данные получены как для положительных, так и для отрицательных полупериодов. Также наблюдается, что выходной сигнал через нагрузочный резистор имеет одинаковое направление для обоих полупериодов.

Пиковое обратное напряжение

Поскольку максимальное напряжение на половине вторичной обмотки составляет Vm, все вторичное напряжение появляется на непроводящем диоде. Следовательно, пиковое обратное напряжение в два раза превышает максимальное напряжение на полу-вторичной обмотке, т.е.

PIV=2Vm

Недостатки

Есть несколько недостатков для выпрямителя с центральным ответвлением, таких как —

• Расположение центра постукивания сложно
• Выходное напряжение постоянного тока мало
• PIV диодов должен быть высоким

Следующим типом двухполупериодной выпрямительной цепи является мостовая двухполупериодная выпрямительная схема .

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Это такая двухполупериодная схема выпрямителя, в которой используются четыре диода, соединенных в виде моста, чтобы не только создавать выходной сигнал в течение полного цикла ввода, но и устранять недостатки двухполупериодной выпрямительной схемы с центральным отводом.

В этой цепи нет необходимости в центральном постукивании трансформатора. Четыре диода, называемые D1, D2, D3 и D4, используются при построении сети мостового типа, так что два из диодов проводят один полупериод, а два — другой полупериод входного питания. Схема мостового двухполупериодного выпрямителя показана на следующем рисунке.

Работа мостового двухполупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами, соединенными в мостовой схеме, используется для получения лучшего отклика на двухволновом выходе. Когда задан положительный полупериод входного питания, точка P становится положительной по отношению к точке Q. Это делает диод D1 и D3 смещенным в прямом направлении, а D2 и D4 — в обратном направлении. Эти два диода теперь будут последовательно подключены к нагрузочному резистору.

На следующем рисунке это показано вместе с обычным током в цепи.

Следовательно, диоды D1 и D3 проводят в течение положительного полупериода входного питания, чтобы создать выходной сигнал вдоль резистора нагрузки. Поскольку два диода работают для получения выходной мощности, напряжение будет вдвое превышать выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с центральным выводом.

Когда задан отрицательный полупериод входного питания, точка P становится отрицательной по отношению к точке Q. Это делает диод D1 и D3 смещенным в обратном направлении, тогда как D2 и D4 смещены в обратном направлении. Эти два диода теперь будут последовательно подключены к нагрузочному резистору.

На следующем рисунке это показано вместе с обычным током в цепи.

Следовательно, диоды D2 и D4 проводят во время отрицательного полупериода входного питания, создавая выход вдоль нагрузочного резистора. Здесь также два диода работают, чтобы произвести выходное напряжение. Ток течет в том же направлении, что и во время положительного полупериода входа.

Форма волны моста FWR

Форма входных и выходных сигналов двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом выглядит следующим образом.

Из приведенного выше рисунка видно, что выходные данные получены как для положительных, так и для отрицательных полупериодов. Также наблюдается, что выходной сигнал через нагрузочный резистор имеет одинаковое направление для обоих полупериодов.

Пиковое обратное напряжение

Всякий раз, когда два из диодов параллельны вторичной обмотке трансформатора, максимальное напряжение вторичной обмотки на трансформаторе появляется в непроводящих диодах, что делает PIV цепи выпрямителя. Следовательно, пиковое обратное напряжение является максимальным напряжением на вторичной обмотке, т.е.

PIV=Vm

преимущества

Мостовой двухполупериодный выпрямитель имеет много преимуществ, таких как —

• Нет необходимости постукивать по центру.
• Выходное напряжение постоянного тока в два раза выше, чем у FWR центральных отводов.
• PIV диодов в два раза меньше, чем у FWR центрального датчика.
• Конструкция схемы проще с лучшим выходом.

Давайте теперь проанализируем характеристики двухполупериодного выпрямителя.

Анализ двухполупериодного выпрямителя

Чтобы проанализировать схему двухполупериодного выпрямителя, предположим, что входное напряжение Vi равно

Vi=Vm sin omegat

Ток i1 через нагрузочный резистор RL определяется как

i1=Im sin omegat quadдля quad0 leq omegat leq pi

i1= quad0 quad quad quadдля quad pi leq omegat leq2 pi

куда

im= гидроразрываVmRF+RL

Rf — сопротивление диода в состоянии ВКЛ.

Аналогично, ток i2, протекающий через диод D2 и нагрузочный резистор RL, определяется как

i2= quad0 quad quad quadдля quad0 leq omegat leq pi

i2=Im sin omegat quadдля quad pi leq omegat leq2 pi

Общий ток, протекающий через RL, является суммой двух токов i1 и i2, т. е.

I=i1+i2

DC или средний ток

Среднее значение выходного тока, которое показывает амперметр постоянного тока, определяется как

Idc= frac12 pi int2 pi0i1d left( omegat right)+ frac12 pi int2 pi0i2d left( omegat right)

= frac12 pi int pi0Im sin omegatd left( omegat right)+0+0+

 frac12 pi int2 pi0Im sin omegatd left( omegat right)

= fracIm pi+ fracIm pi= frac2Im pi=0.636Im

Это вдвое превышает значение полуволнового выпрямителя.

Выходное напряжение постоянного тока

Выходное напряжение постоянного тока на нагрузке определяется как

Vdc=Idc timesRL= frac2ImRL pi=0.636ImRL

Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя.

RMS Current

Среднеквадратичное значение тока определяется как

Irms= left[ frac1 pi int pi0t2d left( omegat right) right] гидроразрыва12

Поскольку ток имеет две одинаковые формы в двух половинах

= left[ fracI2m pi int pi0 sin2 omegatd left( omegat right) right] frac12

= гидроразрываim SQRT2

Эффективность выпрямителя

Эффективность выпрямителя определяется как

 ета= гидроразрываР−постоянногоР−ас

Сейчас,

Pdc= left(Vdc right)2/RL= left(2Vm/ pi right)2

А также,

Pac= left(Vrms right)2/RL= left(Vm/ sqrt2 right)2

Следовательно,

 eta= fracPdcPac= frac left(2Vm/ pi right)2 left(Vm/ sqrt2 right)2= гидроразрыва8 р2

=0,812=81,2%

Эффективность выпрямителя можно рассчитать следующим образом:

Выходная мощность постоянного тока,

Pdc=I2dcRL= frac4I2m pi2 timesRL

Входная мощность переменного тока,

$$ P_ {ac} = I_ {rms} ^ {2} \ left (R_f + R_L \ right) = \ frac {I_ {m} ^ {2}} {2} \ left (R_f + R_L \ right) $ $

Следовательно,

 eta= frac4I2mRL/ pi2I2m left(Rf+RL right)/2= frac8 pi2 fracRL left(Rf+RL right)

= \ frac {0. 812} {\ left \ {1+ \ left (R_f / R_L \ right) \ right \}}

Следовательно, процентная эффективность

= frac0.8121+ left(Rf+RL right)

=81.2% quadifRf=0

Таким образом, двухполупериодный выпрямитель имеет эффективность, в два раза превышающую эффективность полуволнового выпрямителя.

Пульсационный фактор

Форм-фактор выпрямленного выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя задается

F= гидроразрываIэффIпостоянноготока= гидроразрываim/ SQRT22Im/ р=1,11

Коэффициент пульсации  gamma определяется как (с использованием теории цепей переменного тока)

 gamma= left[ left( fracIrmsIdc right)−1 right] frac12= left(F2−1 справа) frac12

= left[ left(1.11 right)2−1 right] frac12=0,48

Это значительное улучшение по сравнению с коэффициентом пульсации полуволнового выпрямителя, равным 1,21.

регулирование

Выходное напряжение постоянного тока определяется как

Vdc= frac2ImRL pi= frac2VmRL pi left(Rf+RL right)

= frac2Vm pi left[1− fracRfRf+RL right]= frac2Vm pi−IdcRf

Коэффициент использования трансформатора

TUF полуволнового выпрямителя составляет 0,287

В выпрямителе с центральным отводом имеются две вторичные обмотки, и, следовательно, TUF двухполупериодного выпрямителя с центральным выводом

 left(TUF right)avg= fracPdcVAрейтингofaтрансформатор

= frac left(TUF right)p+ left(TUF right)s+ left(TUF right)

Диодный мост и двухполупериодный выпрямитель.

В одной из недавних статей мы разбирались с устройством и принципом работы однополупериодного выпрямителя, так вот, сегодня продолжим эту тему! И перейдем, как и собирались, к более сложной схеме выпрямителя, и в то же время самой популярной. Речь идет, конечно же, о двухполупериодном выпрямителе, сердцем которого является диодный мост.

Диодный мост – это электронное устройство, которое как раз и предназначено для решения задачи выпрямления тока. Изобретателем этой схемы является немецкий физик Лео Гретц, поэтому также можно встретить название мост Гретца, что весьма логично 🙂

Базовый диодный мост состоит из 4-х диодов, соединенных следующим образом:

Но зачастую на принципиальных схемах можно встретить упрощенное обозначение:

Собственно, давайте рассмотрим непосредственно схему двухполупериодного выпрямителя:

Здесь также возможны некоторые вариации, например:

Несмотря на разное изображение, электрическое подключение остается неизменным, и все-таки первый вариант используется значительно чаще, так что и мы будем придерживаться именно его.

Резистор R_н в данном примере играет роль полезной нагрузки. Как и при разборе однополупериодного выпрямителя рассмотрим случай с синусоидальным напряжением на входе:

В случае положительного полупериода сигнала (U_{вх} \gt 0), ток будет протекать через диоды D1 и D3. Давайте рассмотрим путь тока более наглядно:

А на отрицательном полупериоде, напротив, диоды D1 и D3 будут закрыты, а протекание тока обеспечат D2 и D4:

В обоих случаях ток через нагрузку будет течь в одном и том же направлении, от точки, помеченной знаком “+” на схеме, к точке “-“. А именно для этого мы и используем выпрямитель – чтобы ток через нагрузку протекал только в одном направлении! И в результате выходной сигнал имеет такой вид:

Сразу же очевидно отличие от однополупериодной схемы, когда сигнал на выходе был только на протяжении одного полупериода. В данном же случае, ток через нагрузку течет как на положительном, так и на отрицательном полупериоде! Поэтому схема и называется двухполупериодной.

Но! Также как и в случае с однополупериодным выпрямителем на выходе мы получаем пульсирующий ток, а не строго постоянный. Поэтому необходимо использовать сглаживающий фильтр, который в самом простом варианте может состоять из одного конденсатора:

Емкость должна быть такой, чтобы конденсатор не успевал быстро разрядиться. Итак, добавляем конденсатор в схему выпрямителя на диодном мосте и проверяем напряжение на нагрузке:

Совсем другое дело!

Существуют специальные диодные сборки, которые представляют из себя четыре одинаковых по характеристикам диода, соединенные по мостовой схеме, помещенные в один корпус. Соответственно, такая сборка имеет четыре вывода, все в точности как на нашей схеме. Выводы, предназначенные для подключения переменного тока (входного сигнала) могут обозначаться символом “~” или буквами AC, традиционными для переменного тока. Выводы же, к которым подключается нагрузка, обозначаются “+” и “-“. Но все это, конечно, индивидуально и зависит от использующегося устройства.

Несколько примеров диодных мостов в сборке:

И по традиции, в завершение статьи, резюмируем плюсы и минусы двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однополупериодным:

• В первую очередь, поскольку здесь используются уже оба полупериода сигнала, то, естественно, КПД схемы больше.
• Кроме того, пульсирующее напряжение на выходе имеет в 2 раза большую частоту, а такие пульсации сгладить проще.

Но, как и всегда, есть и свои недостатки:

• Во-первых, это двойное падение напряжения. Поскольку при прохождении тока через диод на самом диоде падает напряжение, то в данном случае оно удвоено, поскольку ток в итоге проходит через два диода. Именно поэтому в схеме двухполупериодного выпрямителя часто отдают предпочтение диодам Шоттки, имеющим пониженное падение напряжения.
• И второй недостаток, имеющий скорее практический смысл. Если один из диодов диодного моста выйдет из строя, то схема просто превратится в однополупериодный выпрямитель, но работать не перестанет! То есть получается, что возникшую проблему заметить сразу будет довольно проблематично.

И вот на этом точно заканчиваем на сегодня 🙂 Всем спасибо за внимание, любые вопросы можно задавать на нашем форуме, в группе ВКонтакте или в комментариях к статье!

Однополупериодный выпрямитель тока. Схема и принцип работы.

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

Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя выглядит следующим образом:

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

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

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

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

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

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

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

Проверяем напряжение на нагрузке для этой схемы:

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

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

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

И здесь мы видим, что конденсатор из-за меньшей емкости успевает разрядиться гораздо сильнее, и это приводит к увеличению пульсаций, а следовательно к ухудшению работы всей схемы.

На промышленных частотах 50 – 60 Гц однополупериодный выпрямитель практически не применяется из-за того, что для таких частот потребуются конденсаторы с очень большой емкостью (а значит и внушительными габаритами).

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

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

Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

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

Основных недостатков также можно выделить несколько:

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

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

Двухполупериодная (двухфазная) схема выпрямления с нулевым проводом

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 17Следующая ⇒

Схема двухполупериодного выпрямителя (см. рисунок 12) представляет собой сочетание двух однополупериодных выпрямителей, работающих на общую нагрузку. В первый полупериод, когда потенциал точки а (рисунок 12,а) будет положительным, а потенциал точки b — отрицательным, диод VD_l будет открыт и ток протекает через VD₁ в нагрузку R_н и верхнюю половину вторичной обмотки в направлении, показанном сплошными стрелками, Диод VD₂ в это время закрыт, ток через него не течет и он находится под обратным напряжением (рисунок 12,а). В следующий полупериод, когда потенциал точки b становится положительным, а точки а — отрицательным, VD₂ открывается, a VD₁ закрывается и ток течет через диод VD₂, нагрузку R_H и нижнюю половину вторичной обмотки в направлении, показанном пунктирными стрелками. Диод VD₁ в это время находится под обратным напряжением. Таким образом, через нагрузку протекает ток в одном и том направлении в течение всего периода.

Рисунок 12 – Двухполупериодная схема выпрямления (а), диаграммы напряжений и токов (б)

В идеализированной схеме отсутствуют потери в диодах трансформаторе, поэтому форма выпрямленного напряжения повторяет форму напряжения на работающих половинах вторичной обмотки трансформатора, другими словами, график u₀ является огибающей положительных полусинусоид графиков u’₂ и u»₂ (рисунок 12, б).

В каждый полупериод u₂ по половине вторичной обмот­ки трансформатора, диоду и нагрузке протекают равные между собой токи, т.е. u’₂ =i_VD1 = i₀ и u»₂ =u_VD2=i₀, причем ток в идеализированной схеме определяется только сопро­тивлением нагрузки и равен u₀/R_Н.

Как следует из рисунка 12, а, токи i’₂ и i»₂, протекающие по половинам вторичной обмотки трансформатора, имеют такое направление, при котором постоянные составляющие этих токов создают встречно направленные магнитные потоки. Поэтому вынужденное подмагничивание магнитопровода трансформатора в двухполупериодной схеме выпрямления отсутствует.

Форма графика u_ОБР требует дополнительных пояснений. Каждую половину периода один из диодов схемы закрыт и к его электродам приложено обратное напряжение, которое равно разности потенциалов между анодом и катодом этого диода. В первую половину периода закрыт VD₂. Потенциал его анода равен отрицательному потенциалу точки b, который определяется отрицательной полусинусоидой u₂. Катод диода VD₂ в это время имеет положительный потенциал точки а (положительная полусинусоида u’₂), поскольку открыт VD₁ и падение напряжения на нем в идеализированной схеме равно нулю (рисунок 12,а). Таким образом, в течение первого полупериода диод находится под обратным напряжением, равным разности потенциалов между концами вторичной обмотки трансформатора (точки а и b), и максимальное значение этой разности потенциалов равно удвоенному амплитудному значению напряжения одной из половин вторичной обмотки,

U_обр.и.п=2U_2m

Рисунок 13 – Вычисление среднего и действующего напряжения и тока в двухполупериодной схеме выпрямления

Основные параметры. График выпрямленного напряжения Uo и выпрямленного тока Iо данной схемы приводится на рисунке 13, из которого видно, что импульсы напряжения и тока в нагрузке двухполупериодного выпрямителя имеют место во время каждого полупериода, тогда как однополупериодной схеме выпрямления (см. рисунок 9,б) — только в течение одного полупериода, поэтому при одинаковых амплитудах напряжения и тока вторичной обмотки (U_2m и I_2m) постоянные составляющие выпрямленного на­пряжения U₀ и тока I₀ будут в 2 раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении. Таким образом,

, откуда

причем U_2m= U_0m; , откуда

,

причем I_2m=I_0m.

Действующее значение напряжения вторичной; обмотки (одной половины) U₂ с учетом синусоидального характера его, а также U_2m:

U2= U_2m/

Действующее значение тока первичной обмотки I₀ вследствие синусоидальности его можно записать:

I₂=0,5 I_2m=0,785 I₀

Габаритная мощность трансформатора определяется по расчетной мощности всех его обмоток. Расчетная мощность первичной обмотки

P₁=U₁I₁=1,23P₀

и вторичной обмотки:

Р₂=2U₂

Габаритная мощность трансформатора:

P_Г=( P₁+ Р₂)/2=1,48 P₀

Обратное напряжение на диоде:

U_{ОБР.И. П.}=2 U_2m=3,14 U₀

Среднее значение тока через каждый диод в 2 раза меньше выпрямленного тока I₀ (поскольку ток нагрузки определяется суммой токов диодов), т. е,

I_ПР.СР=1/2 I₀

Действующее значение прямого тока диода I_ПР равно действующему значению тока вторичной обмотки I₂.

I_{ПР. И.П.}= I_2m=1,57 I₀

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения:

К_П01= U_0m/ U₀=0,67

Преимущества двухполупериодной схемы по сравнению однополупериодной состоят в следующем:

1) значительно уменьшаются габаритные размеры и трансформатора (вследствие лучшего использования обмоток и отсутствия подмагничивания магнитопровода;

2) амплитудное значение тока через диод вдвое меньше;

3) значительно уменьшаются габариты и масса сглаживающего фильтра (вследствие увеличения вдовое основной частоты пульсации и уменьшения более в 2 раза коэффициента пульсации).

Недостатками схемы являются:

1) необходимость вывода средней (нулевой) точки вторичной обмотки трансформатора;

2) наличие в схеме двух диодов вместо одного.



Лекция №5-2 Схемы выпрямления электрического тока

 Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

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

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.
 
Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.
 
Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.
 
Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.
 
По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):
 
 
Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.
 
За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).
 
За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».

Принцип работы автомобильного генератора 

Схема подключения генератора ВАЗ 2110-2115

Схема подключения генератора переменного тока включает такие составляющие:

1. Аккумулятор.
2. Генератор.
3. Блок предохранителя.
4. Ключ зажигания.
5. Приборная панель.
6. Выпрямительный блок и добавочные диоды.

Принцип работы достаточно простой, при включении зажигания плюс через замок зажигание идет через блок предохранителей, лампочку, диодный мост и выходит через резистор на минус. Когда лампочка на приборной панели загорелась, далее плюс идет на генератор (на обмотку возбуждения), далее в процессе запуска двигателя шкив начинает вращаться, также вращается якорь, за счет электромагнитной индукции вырабатывается электродвижущая сила и появляется переменный ток.

Наиболее опасным для генератора является замыкание пластин теплоотводов, соединенных с «массой» и выводом «+» генератора случайно попавшими между ними металлическими предметами или проводящими мостиками, образованными загрязнением.

Далее в выпрямительный блок через синусоиду в левое плечо диод пропускает плюс, а в правое минус. Добавочные диоды на лампочку отсекают минусы и получаются только плюсы, далее он идет на узел приборной панели, а диод, который там стоит он пропускает только минус, в итоге лампочка гаснет и плюс тогда идет через резистор и выходит на минус.

Принцип работы автомобильного генератора постоянного, можно объяснить так: через обмотку возбуждения начинает течь небольшой постоянный ток, который регулируется управляющим блоком и поддерживается им на уровне чуть больше 14 В. Большинство генераторов в автомобиле способны вырабатывать как минимум 45 ампер. Генератор работает на 3000 оборотах в минуту и выше — если посмотреть на соотношение размеров ремней вентиляторов для шкивов, то оно по отношению к частоте двигателя составит два или три к одному.

Во избежание этого пластины и другие части выпрямителя генераторов частично или полностью покрывают изоляционным слоем. В монолитную конструкцию выпрямительного блока теплоотводы объединяются в основном монтажными платами из изоляционного материала, армированными соединительными шинками.

Что такое схема выпрямителя?

Что такое схема выпрямителя?

Далее: Задачи
Up: lab8b
Предыдущая: Что такое трансформатор?

Теперь, когда мы снизили до , напряжение переменного тока
уровень, который больше соответствует требованиям напряжения
Stamp11, остаётся проблема
преобразование 12-вольтового сигнала переменного тока в желаемый 5-вольтовый постоянный ток
источник питания. Мы подойдем к этому в два этапа. Первый
преобразуем переменное напряжение в постоянное через
процесс, известный как ректификации .Тогда мы уйдем
это 12 вольт постоянного напряжения до 5 вольт с помощью
регулятор напряжения . В этом разделе кратко рассказывается о
процесс исправления.

Простейшая возможная схема преобразования переменного тока в постоянный — это
однополупериодный выпрямитель . Эта схема состоит из
один диод, который пропускает ток только через один
направление. Возможная схема показана ниже на рисунке
4. На этом рисунке вы найдете мощность переменного тока.
источник подключен к первичной обмотке трансформатора.Заметка
символ, который мы используем для трансформатора. Вторичный
клеммы этого трансформатора затем подключаются к диоду
и резистор последовательно.

Работа этой схемы проста. когда
находится в положительной части своего цикла, положительный
напряжение создается на вторичной стороне
трансформатор. Это напряжение смещает диод в прямом направлении и
диод начинает пропускать ток.В результате большая часть
падение напряжения на нагрузке. Когда отрицательно,
тогда вторичная сторона также имеет отрицательное напряжение. В
Затем диод смещается в обратном направлении и перестает пропускать ток. В качестве
в результате падение напряжения на нагрузке равно нулю. В
осциллограмма напряжения на нагрузочном резисторе выглядит как
показано на рисунке 4. Только положительная сторона
синусоидального цикла присутствует и отрицательная сторона
был зажат диодом.

Глядя на выходное напряжение, следует отметить
что это похоже на выход батареи в том, что это
всегда позитивный.К сожалению, этот положительный сигнал
довольно «ухабистая», и нам нужно найти способ сгладить ее.
RC
схема, показанная на рисунке 5, используется для
сгладьте эти неровности. В этой схеме мы добавили
большой конденсатор, включенный параллельно с сопротивлением нагрузки. В
конденсатор может накапливать энергию в то время, когда
напряжение на нагрузке положительное. Когда напряжение нагрузки
зажимается до нуля, наш конденсатор может медленно отпустить
накопленная энергия, тем самым сглаживая напряжение
Загрузка.

Что происходит в этой схеме, так это то, что диод включается
при напряжении на крышке около 0,7 вольт (
пороговое напряжение для диода) ниже выходящего из
трансформатор. Между тем загрузка разгружает крышку
с нашей стандартной постоянной времени RC. Схема должна быть
тщательно спроектирован так, чтобы постоянная времени была намного больше
чем время цикла переменного тока.Даже в этом случае шапка, вероятно, будет
теряют некоторое напряжение во время простоя между импульсами и
эта потеря приведет к пульсации напряжения . В
результирующие формы сигналов показаны ниже на рисунке
5.

В этой схеме есть еще кое-что новое. Обратите внимание, как
нижняя пластина конденсатора показана кривой и
верхняя пластина отмечена знаком плюс. Это потому что
для получения большой емкости требуются специальные конденсаторы
в небольшом пространстве.В частности, вы будете использовать
конденсаторы электролитические . Такие конденсаторы построены
с помощью бумаги, смоченной электролитом. Эта фабрикация
метод дает огромные емкости в очень маленьком объеме.
Но это также приводит к тому, что конденсатор поляризован .
Другими словами, конденсатор работает только с одной полярностью.
напряжения. Если поменять полярность, водород может
отсоединяется от внутреннего анода конденсатора и
этот водород может взорваться.Электролитические конденсаторы всегда
имеют четко обозначенную полярность, часто с множеством
отрицательные знаки указывали на отрицательную клемму. Вы
должен иметь конденсатор 1000 Ф в ваших наборах деталей, которые
вы можете использовать в своей цепи питания.

Хотя однополупериодный выпрямитель обладает достоинством простоты,
ему не хватает эффективности, потому что мы выбрасываем
отрицательная сторона формы волны. Лучшим решением было бы
для использования мощности на обеих сторонах сигнала.Схемы
которые делают это, называются двухполупериодными выпрямителями . В
в частности, вы можете использовать следующую схему, показанную на
рисунок 6 для построения двухполупериодного выпрямителя.
Левая часть этой схемы — это двухполупериодный мост.
Эта часть схемы состоит из четырех специально
устроил диоды. Выход двухполупериодного выпрямителя
По сути, это источник постоянного тока на 12 В. Будет небольшой
рябь на этом источнике, но вы действительно не сможете
заметьте это, даже если вы посмотрите на сигнал с помощью
осциллограф.

Схема, показанная на рисунке 6, генерирует постоянный ток.
напряжение 12 В и заземление на двух выводах
отмечены и. Однако ваш MicroStamp11
требуется питание 5 вольт. Мы можем понизить это напряжение 12
напряжение до напряжения 5 вольт несколькими способами. Один метод
заключается в использовании стабилитрона для ограничения напряжения 5 вольт. А
стабилитрон — это диод, напряжение пробоя которого было
рассчитан на определенный уровень напряжения.Схема
показанный на рисунке 7 выполняет это
функция. Резистор, включенный последовательно с диодом, используется для
ограничить выходной ток, типовые значения указаны в заказе
100-500 Ом.

стабилизатора напряжения

Еще один способ понизить напряжение питания 12 —
использовать
специальное трехконтактное устройство под названием
регулятор напряжения . Регулятор напряжения — это особый
полупроводниковое устройство, специально разработанное для
действовать как идеальный аккумулятор.Подключения регулятора напряжения
показаны в правой части рисунка
8.
Как видите, регулятор напряжения имеет 3 контакта. Пин 3
(VIN) подключен к положительной клемме аккумулятора. Контакт 2
(GND) подключен к земле (отрицательная клемма вашего
аккумулятор), а контакт 1 — это регулируемый выход на 5 В. В твоем
В лабораторном комплекте вы найдете регулятор напряжения LM7805. Вы можете
используйте это для создания источника питания с регулируемым приводом для
ваша система.

При подключении регулятора напряжения обязательно ставьте 0.1
Конденсатор F на выходе вашего источника питания.
Этот конденсатор помогает устранять скачки напряжения в вашей сети.
питания, поскольку если у вас есть ступенчатое изменение напряжения,
конденсатор действует как короткое замыкание на землю.

Далее: Задачи
Up: lab8b
Предыдущая: Что такое трансформатор?

Полноволновой выпрямитель

Пиковое обратное напряжение для полноволнового выпрямителя составляет 2 В _м , потому что
все вторичное напряжение появляется на непроводящем диоде. На этом завершается объяснение различных факторов, связанных с
Полноволновой выпрямитель.

Выпрямитель с фильтром

Выход Full Wave
Выпрямитель содержит компоненты переменного и постоянного тока. Большинство
приложения, которые не могут выдерживать высокой пульсации, требуют дальнейшей обработки выпрямленного
выход. Нежелательные компоненты переменного тока, например, пульсации, можно свести к минимуму.
с помощью фильтров.

Выход выпрямителя подается как вход на
фильтр.Выходной сигнал фильтра не идеален, но он также содержит
небольшие компоненты переменного тока.

Некоторые важные фильтры:

1. Индукторный фильтр
2. Конденсаторный фильтр
3. Фильтр LC
4. Фильтр CLC или p

Индукторный фильтр

На рисунке показан индукторный фильтр. Когда выходной сигнал выпрямителя проходит через индуктор, он блокирует переменную составляющую и
позволяет только компоненту постоянного тока достигать нагрузки.

Коэффициент пульсации индуктивного фильтра определяется выражением
.

Из приведенного выше уравнения видно, что при увеличении L пульсация уменьшается.
и R _L
уменьшается.
Таким образом, индукционный фильтр эффективнее только
при большом токе нагрузки (малый R _L ). Чем больше
значение индуктора может уменьшить пульсацию и в то же время
выходное постоянное напряжение будет снижено, так как катушка индуктивности имеет более высокий постоянный ток.
сопротивление.

Работа индуктивного фильтра зависит от его
свойство препятствовать любому изменению тока, проходящего через него. Анализировать
этот фильтр для полной волны,

в
Ряд Фурье можно записать как

Компонент постоянного тока

Если предположить, что третьи и более высокие члены дают небольшой объем производства,
выходное напряжение

Сопротивлением диода, дросселя и трансформатора можно пренебречь, так как
они очень маленькие по сравнению с R _L .Следовательно, постоянная составляющая тока

Импеданс последовательной комбинации L и R _L при 2 Вт составляет

Следовательно, для компонента переменного тока

Следовательно, результирующий ток i будет равен,

Коэффициент пульсаций, который можно определить как отношение действующего значения
пульсация к значению волны постоянного тока составляет

Если, то упрощенное выражение для g —

В случае, если сопротивление нагрузки бесконечно i.е., на выходе — открытый
цепи, то коэффициент пульсации равен. Это немного меньше значения 0,482. Разница в том, что
связано с отсутствием вышеупомянутых гармоник. Ясно
что индуктивный фильтр следует использовать только там, где R _L неизменно мал.

Фильтр конденсатора

Выше показан конденсаторный фильтр, подключенный непосредственно к нагрузке.В
Свойство конденсатора состоит в том, что он позволяет составлять переменного тока и блокирует составляющую постоянного тока. Работа конденсаторного фильтра
состоит в том, чтобы замкнуть пульсацию на землю, но оставить постоянный ток на выходе, когда
он подключен к пульсирующему постоянному напряжению.

Во время положительного полупериода конденсатор заряжается до пика.
зона вторичного напряжения трансформатора, В _м

и постараюсь сохранить это
значение, когда входная полная волна падает до нуля.Конденсатор будет медленно разряжаться через R _L , пока вторичная обмотка трансформатора
напряжение снова увеличится до значения, превышающего напряжение конденсатора. В
диод проводит время, которое зависит от напряжения конденсатора. В
диод будет проводить, когда вторичное напряжение трансформатора станет больше
чем напряжение на диоде. Это называется снижением напряжения. Диод останавливается
проводимости, когда напряжение трансформатора становится меньше, чем
напряжение на диоде.Это называется отключением напряжения.

На рисунке ниже с небольшим приближением пульсации напряжения
можно считать треугольным. От точки включения до точки отключения независимо от заряда конденсатора.
равен заряду, который конденсатор потерял за время
непроводимость, т. е. от точки отключения до следующей точки включения.

Заряд, который он приобрел

Заряд потерял

Если емкость конденсатора довольно большая, или значение нагрузки
сопротивление очень большое, то можно предположить, что время T ₂
равно половине периодического времени формы сигнала.

Исходя из приведенных выше предположений, форма волны пульсаций будет треугольной и
его среднеквадратичное значение равно

Пульсации можно уменьшить, увеличив C или R _L
(оба) с результирующим увеличением постоянного тока. выходное напряжение.

Фильтр LC

Коэффициент пульсации прямо пропорционален
сопротивление нагрузки R _L в фильтре индуктивности и обратно пропорционально R _L в конденсаторе
фильтр.Следовательно, если эти два фильтра объединены как LC-фильтр или L
секции фильтра, как показано на рисунке, коэффициент пульсации не зависит от R _L .

Если значение индуктивности увеличивается, оно увеличивается.
время проведения. При некотором критическом значении индуктивности один диод, либо D1, либо
D2 всегда будет проводником.

Выходное напряжение из ряда Фурье можно выразить как

Выходное напряжение постоянного тока,

Коэффициент пульсации

Фильтр CLC или p

На рисунке выше показаны CLC или p

Тип фильтра, который в основном состоит из
конденсаторный фильтр, за которым следует секция LC.Этот фильтр обеспечивает довольно плавный выходной сигнал и характеризуется высокими пиками.
диодные токи и плохая регулировка. Как и в фильтре L-секции, анализ
получается следующим образом.

Порядок действий

EDWinXP-> Редактор схем: Схема
Диаграмма рисуется путем загрузки компонентов из библиотеки. Электропроводка и собственно
чистая переуступка произведена.Значения присваиваются соответствующим компонентам.

EDWinXP -> Симулятор смешанного режима: схема предварительно обработана. Контрольные точки и
маркеры формы сигналов размещаются на входе и выходе схемы. Сеть GND установлена ​​как
справочная сеть. Параметры переходного анализа заданы. В
Выполняется анализ переходных процессов, и форма выходного сигнала наблюдается в средстве просмотра сигналов.

Результат

Форма выходного сигнала для полноволнового выпрямителя с фильтром и без
фильтр можно наблюдать в средстве просмотра осциллограмм.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ГЕНЕРАЦИИ ГАРМОНИКИ В БЕЗУПРАВЛЯЕМЫХ И УПРАВЛЯЕМЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ГЕНЕРАЦИИ ГАРМОНИК В БЕСКОНТРОЛИРУЕМЫХ И КОНТРОЛИРУЕМЫХ ВЫПРЯМИТЕЛЯХ, выпуск

International Journal of

, январь, выпуск

, International Research, выпуск

, январь, 2014 г. 2229-5518

Аслам П.Мемон ([email protected]), Ахсан Зафар, М. Усман Кирио, Асиф Али. A
Кафедра электротехники,
Quaid-a-Awam University of Engineering Science & Technology, Nawabshah, Sindh, Пакистан

Аннотация: В данное исследование включены экспериментальные исследования выпрямителей силовых преобразователей, их характеристики при различных нагрузках и их анализ. . Эти результаты основаны на лабораторных данных, в которых контролируемое и неконтролируемое выпрямление (FW, 1-ϕ и 3-ϕ) наблюдается при различных нагрузках (R, R-L) с их выпрямленными формами выходных сигналов.Разработаны программные модели, основанные на достигнутых параметрах, с целью сравнения их точности с лабораторными моделями, а также заключены конечные гармоники и общие гармонические искажения, создаваемые преобразователями силового выпрямителя из-за нелинейных нагрузок.

Ключевые слова: преобразователь выпрямителя, диод, тиристор, Matlab, Simulink, FFT

ВВЕДЕНИЕ

Схема выпрямления — это примитивная схема силовой электроники, которая преобразует переменный ток в постоянный ток и также используется во многих областях.Симуляция с моделированием часто используется для анализа рабочего процесса ректификации. Работу теорию выпрямительной схемы и гармонических составляющих можно изучить более глубоко на основе анализа и вывода результатов моделирования. Анализ цели в этой статье выполняется однофазной и трехфазной полноволновой неуправляемой и управляемой схемой выпрямления и моделируется практически, а также с помощью MATLAB / SIMULINK. Затем с помощью этих моделей анализируются гармоники переменного тока и формы сигналов.

Экспериментальный анализ и анализ Simulink

Сначала модели выпрямителей изготавливаются практически в лаборатории силовой электроники с использованием тиристорной панели управления 70-002

компании Feedback. После этого моделируются в Matlab

с теми же параметрами, которые используются в практическом тренажере. На рис. 1 (а) показана панель управления тиристором 70-002. С помощью этой панели выполняются все неуправляемые и управляемые выпрямители. Тренажер включает в себя различные компоненты, рейтинги которых приведены ниже в таблице 1.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1344

ISSN 2229-5518

Панель управления тиристором

Таблица 1: Система

Компоненты

Рис.1: 70-002

Осциллограф, вольтметр / амперметр с подвижным железом (средние значения) Мультиметр (среднеквадратичные значения)

Однофазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

(a) (b)

Фиг.2: (a) Принципиальная схема однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя (b) Коммутационная схема однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя

Во время положительной фазы цикла напряжения питания ток течет от положительного полюса питания через D1, через нагрузку и возвращается к отрицательному значению предложения через D3. Во время отрицательной фазы цикла напряжения питания ток течет от положительного источника питания через D2, через нагрузку и возвращается к отрицательному полю питания через D4. В 18:00 происходит коммутация или переключение, и пары проводящих диодов переключаются с D3 и D2 на D1 и D4.

http://www.ijser.org

Международный журнал научных и технических исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1345

ISSN 2229-5518

(c) (d)

Рис. 2: (c) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока с резистивной нагрузкой (d) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока при резистивной индуктивной нагрузке

Теперь должно быть ясно, что диоды действуют как переключатели, синхронизированные с источником питания, которые включаются и выключить, чтобы ток через нагрузку всегда был положительным.Форма волны напряжения не является гладкой, поскольку она колеблется от нуля до максимального значения дважды в течение каждого основного цикла питания, прерывистым образом в каждой точке коммутации. Это приводит к возникновению гармоник, которые распространяются обратно в источник питания, поскольку «первичная» обмотка трансформатора питания также может рассматриваться как «вторичная» обмотка при изменении напряжения во вторичной обмотке. Эти гармоники могут превышать те, которые разрешены Управлением электроснабжения.

Теперь третий шаг — моделирование этой модели в Matlab.

Рис. 2: (e) Модель Simulink однофазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя с резистивной индуктивной нагрузкой

(f) (g)

Рис. 2: (f) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока на резистивной нагрузке ( g) Осциллограммы выпрямленного напряжения и тока через резистивную индуктивную нагрузку

Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента БПФ графического интерфейса пользователя Power от Matlab.

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь 2014 г. 1346

ISSN 2229-5518

(h) (I)

Рис. 2: (h) Форма волны входного тока и напряжения, искаженная гармониками (I) Гармоники входного тока

Суммарные гармонические искажения = 21,11%

Трехфазный двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

Такая же процедура практически и с помощью программного обеспечения значит повторяется с этим выпрямителем.

(a) (b)

Рис. 3: (a) Принципиальная схема трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя (b) Коммутационная схема трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя

Нагрузка питается через трехфазную полуволну путь обратного тока проходит через другую полуволновую связь с одной из трех линий питания. Обратите внимание:

IJSER

, что нейтраль не требуется.
(c) (d)

Рис. 3: (c) Формы сигналов выпрямленного напряжения и тока через резистивную нагрузку (d) Формы сигналов выпрямленного напряжения

и тока через резистивную индуктивную нагрузку

Теперь модель Simulink на основе Matlab из трех фазовый двухполупериодный неуправляемый выпрямитель

Рис. 3: (e) Simulink модель трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя с резистивной и резистивной индуктивной нагрузкой

IJSER © 2014 http: // www.ijser.org

Международный журнал научных и технических исследований, том 5, выпуск 1, январь-2014 1347

ISSN 2229-5518

(f) (g)

Рис. 3: (g) формы сигналов выпрямленного напряжения и тока при резистивной нагрузке (h) Формы выпрямленных сигналов тока и напряжения при нагрузке RL

Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента FFT графического интерфейса Power GUI Matlab.

(h) (I)

Рис.3: (I) Формы входного напряжения и тока искажены из-за гармоник (j) Гармоники входного тока

Общее гармоническое искажение = 33,41%

Однофазный двухполупериодный управляемый выпрямитель

(a) (b)

Рис. 4: (a) Принципиальная схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (b) Коммутационная схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

IJSER © 2014 http: // www .ijser.org

Международный журнал научных и инженерных исследований, том 5, выпуск 1, январь-2014 1348

ISSN 2229-5518

(c) (d)

Рис. 4: (c) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной нагрузкой (d) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной индуктивной нагрузкой

Теперь модель Simulink на основе Matlab однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя

Рис.4: (e) Модель Simulink однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с резистивной и резистивной индуктивной нагрузкой

(f) (g)

Рис. 4: (f) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной нагрузкой (g) Выпрямленное напряжение и ток с резистивной

индуктивной нагрузкой

Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента БПФ графического интерфейса пользователя Power от Matlab.
(h) (I)

Рис. 4: (h) Форма волны входного тока и напряжения, искаженная гармониками (I) Гармоники входного тока

Общее искажение гармоник = 37,40%

Трехфазный полноволновой управляемый выпрямитель

IJSER © 2014 http://www.ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 1, January-2014 1349

ISSN 2229-5518

(a) (b)

Рис.5: (a) Принципиальная схема трехфазного двухполупериодного управляемого выпрямителя (b) Схема коммутации

(c) (d)

Рис. 5: (c) Форма волны выпрямленного напряжения (красный) и тока (синий) с резистивной нагрузка (d) Форма волны выпрямленного

Напряжение (красный) и ток (синий) с резистивной индуктивной нагрузкой

Теперь основанная на Matlab модель трехфазного двухполупериодного неуправляемого выпрямителя на базе Matlab

Рис.5: (e) Модель Simulink трехфазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с резистивной индуктивной нагрузкой

(f) (g)

Рис. 5: (f) Форма волны выпрямленного напряжения и тока с резистивной нагрузкой (g) Форма волны выпрямленного Напряжение и ток

с резистивной индуктивной нагрузкой
Теперь выполняется гармонический анализ этого выпрямителя с помощью инструмента БПФ графического интерфейса Power GUI Matlab.

IJSER © 2014 http: // www.ijser.org

International Journal of Scientific & Engineering Research, Volume 5, Issue 1, January-2014 1350

ISSN 2229-5518

(h) (I)

Рис. 5: (h) Входное напряжение и Форма волны тока искажена из-за гармоник (I) Гармоники входного тока

Заключение

Суммарные гармонические искажения = 44,72%

Преимущество двухполупериодного выпрямления состоит в том, что можно потреблять более высокий ток нагрузки для данного номинала источника трансформатор, чем в случае полуволнового выпрямления.Анализатор гармоник — очень дорогостоящее оборудование для поиска гармоник в любом преобразователе, поэтому в этом исследовании предлагается модель Simulink на основе Matlab для проверки гармоник любого преобразователя путем предоставления практических данных. Номинальная мощность однофазных выпрямителей обычно ниже 10 кВт. Трехфазные мостовые выпрямители используются для обеспечения более высокой выходной мощности, до 500 кВт при 500 В постоянного тока или даже больше.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Майордомо, Дж. Дж., Эрнандес А. Асенси, Р. Бейтес Л. Ф., Иззеддин М. «Единая теория неуправляемых выпрямителей
, газоразрядных ламп и дуговых печей.Аналитический подход к расчетам нормализованного гармонического излучения «Harmonics and Quality of Power Proceedings, 1998. 8th International Conference On, vol.2, pp.740-748, 14-18 Oct 1998
Min Chen, Zhaoming Qian, Xiaoming Yuan,» Frequency -доменный анализ неуправляемых выпрямителей »Конференция и выставка« Прикладная силовая электроника ». АТЭС ’04. Девятнадцатый ежегодный IEEE, том 2, стр. 804-
809 том 2, 2004 г.
Лиан, К.Л., Лен, П.В., «Гармонический анализ однофазных полномостовых выпрямителей на основе метода быстрой временной области
» Промышленная электроника, 2006 г. IEEE International Symposium on, vol.4, pp. 2608-2613, 9-13
июль 2006 г.
Owen E.L. «Пятидесятая годовщина современной силовой электроники — кремниевого управляемого выпрямителя», Electric Power, IEEE Conference. Pp.201-211, 3-5 августа 2007 г.
Wijeratne D. Moschopoulos G. «Трехфазный одноступенчатый AC-DC полный Мостовой преобразователь с высоким коэффициентом мощности
и фазовой широтно-импульсной модуляцией », конференция и выставка по прикладной силовой электронике. APEC 2009. Двадцать четвертая ежегодная конференция IEEE, том, №, стр. 977-983, 15-19 февраля 2009 г.
Mesas, JJ, Sainz, L, Molina, J, «Процедура оценки параметров для моделей однофазных неуправляемых выпрямителей
» Power Delivery, IEEE Transactions vol.26, № 3, стр. 1911-1919, июль 2011 г.
Ван Цзы-ци, Цзян Дэ-лонг, Фу Цзинь-гуан, «Анализ и моделирование схемы однофазного выпрямительного фильтра на основе Matlab» Конференция по энергетике и автоматизации (PEAM), IEEE, vol.2, pp.1,3, 8-9
Sept. 2011
First A. Хемант Мехар, «Методы моделирования MATLAB в силовой электронике», IEEE Technology and Engineering Education (ITEE), VOL .7, № 4 Декабрь, 2012 г.
Алекса Д., Сирбу А. .. Лазар, А. «Трехфазный выпрямитель с входными токами, близкими к синусоидальному, и конденсаторами
, подключенными со стороны переменного тока» Промышленная электроника, IEEE Transactions on, vol.53, № 5, стр. 1612-
1620, октябрь 2006 г.
Чжун Чен, Инпэн Луо, Инью Чжу, Гоцяо Шэнь, «Анализ и проектирование трехфазного выпрямителя с входными токами, близкими к синусоидальной», Power Electronics and Motion Контрольная конференция.