Выпрямители
Выпрямитель — устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное. Основное свойство выпрямителя — сохранение направления протекания тока при изменении полярности входного напряжения.
По количеству выпрямленных полуволн выпрямители делят на однополупериодные и двухполупериодные.
По числу фаз силовой сети различают однофазные, двухфазные, трехфазные и шестифазные выпрямители.
Однофазный однополупериодный выпрямитель
Однофазный однополупериодный выпрямитель пропускает на вход одну полуволну питающего напряжения.
Рис. 1 — Схема и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя
Во время положительного полупериода, диод находится в открытом положении и пропускает через себя ток на нагрузку. Когда приходит очередь отрицательного полупериода, устройство запирается, и питание на нагрузку не поступает. То есть происходит как бы отсечение отрицательной полуволны (на самом деле это не совсем верно, поскольку при данном процессе всегда имеется обратный ток, его величина определяется характеристикой Iобр ).
В результате, как видно из графика (рис. 1), на выходе мы получаем импульсы, состоящие из положительных полупериодов, то есть, постоянный ток. В этом и заключается принцип работы выпрямительных полупроводниковых элементов.
Импульсное напряжение, на выходе такого выпрямителя подходить только для питания малошумных нагрузок, примером может служить зарядное устройство для кислотного аккумулятора фонарика.
На практике такие схемы находят ограниченное применение в связи с плохим использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Простота конструкции является единственным её достоинством.
К числу недостатков однодиодного выпрямителя можно отнести:
- Низкий уровень КПД, поскольку отсекаются отрицательные полупериоды, эффективность устройства не превышает 50%.
- Напряжение на выходе примерно вдвое меньше, чем на входе.
- Высокий уровень шума, что проявляется в виде характерного гула с частотой питающей сети. Его причина – несимметричное размагничивание понижающего трансформатора (собственно именно поэтому для таких схем лучше использовать гасящий конденсатор, что также имеет свои отрицательные стороны).
Однофазный мостовой выпрямитель (диодный мост)
Однофазный мостовой выпрямитель является двухполупериодным выпрямителем. Существенно отличие такой схемы (от однополупериодной) заключается в том, что напряжение на нагрузку подается в каждый полупериод. Из-за удвоенного количества диодов ограничено его применение при низких напряжениях. Трансформатор в такой схеме используется наиболее полно.
Рис. 2 — Схема и принцип работы диодного моста
Как видно из приведенного рисунка в схеме задействовано четыре полупроводниковых выпрямительных элемента, которые соединены таким образом, что при каждом полупериоде работают только двое из них. Распишем подробно, как происходит процесс:
- На схему приходит переменное напряжение Uвх . Во время положительного полупериода образуется следующая цепь: VD4 – R – VD2. Соответственно, VD1 и VD3 находятся в запертом положении.
- Когда наступает очередность отрицательного полупериода, за счет того, что меняется полярность, образуется цепь: VD1 – R – VD3. В это время VD4 и VD2 заперты.
- На следующий период цикл повторяется.
Как видно по результату (рис. 2,б), в процессе задействовано оба полупериода и как бы не менялось напряжение на входе, через нагрузку оно идет в одном направлении. Такой принцип работы выпрямителя называется двухполупериодным.
Его преимущества очевидны:
- Поскольку задействованы в работе оба полупериода, существенно увеличивается КПД (практически вдвое).
- Пульсация на выходе мостовой схемы увеличивает частоту также вдвое (по сравнению с однополупериодным решением).
- Как видно из графика (рис. 2,б), между импульсами уменьшается уровень провалов, соответственно сгладить их фильтру будет значительно проще.
- Величина напряжения на выходе выпрямителя приблизительно такая же, как и на входе.
Помехи от мостовой схемы незначительны, и становятся еще меньше при использовании фильтрующей электролитической емкости. Благодаря этому такое решение можно использовать в блоках питания, практически, для любых радиолюбительских конструкций, в том числе и тех, где используется чувствительная электроника.
Заметим, совсем не обязательно использовать четыре выпрямительных полупроводниковых элемента, достаточно взять готовую сборку в пластиковом корпусе.
Рис. 3 — Диодный мост в виде сборки
Такой корпус имеет четыре вывода, два на вход и столько же на выход. Ножки, к которым подключается переменное напряжение, помечаются знаком «
» или буквами «AC». На выходе положительная ножка помечается символом «+», соответственно, отрицательная как «-».
На принципиальной схеме такую сборку принято обозначать в виде ромба, с расположенным внутри графическим отображением диода.
На вопрос что лучше использовать сборку или отдельные диоды нельзя ответить однозначно. По функциональности между ними нет никакой разницы. Но сборка более компактна. С другой стороны, при ее выходе из строя поможет только полная замена. Если же в этаком случае используются отдельные элементы, достаточно заменить вышедший из строя выпрямительный диод.
Другие типы выпрямителей
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель
Двухфазный двухполупериодный выпрямитель представляет из себя два параллельно соединенных однофазных однополупериодных выпрямителя. Характеризуется улучшенным использованием трансформатора и сглаживающего фильтра. Другое название такого выпрямителя — выпрямитель со средней точкой .
Рис. 4 — Схема двухфазного двухполупериодного выпрямителя —>
Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения
Однофазный выпрямитель с удвоением напряжения представляет собой последовательное соединение однополупериодных выпрямителей. В первом полупериоде через диод VD1 заряжается конденсатор C1, а во втором полупериоде через диод VD2 заряжается конденсатор C2. Выходное напряжение представляет собой сумму напряжений на конденсаторах — удвоенную амплитуду напряжения вторичной обмотки.
Рис. 5 — Схема однофазного выпрямителя с удвоением напряжения
Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой
Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой обладает значительно меньшими пульсациями выходного напряжения и их утроенной частотой по сравнению с однофазным двухполупериодным выпрямителем. Этой позволяет упростить фильтр а иногда и вообще обойтись без него. Но такой схеме присуще подмагничивание трансформатора постоянным током, что ухудшает его использование.
Рис. 6 — Схема трехфазного выпрямителя с нулевой точкой
Трехфазный мостовой выпрямитель
Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова) по сравнению с предыдущей схемой характеризуется отсутствием подмагничивания трансформатора, еще меньшим коэффициентом пульсаций, и их вдвое большей частотой.
Рис. 7 — Схема трехфазного мостового выпрямителя
Неуправляемые выпрямители, схемы выпрямления, достоинства и недостатки
Однофазный однополупериодный выпрямитель (рис. 3.3) применяется для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям. К его достоинствам относится простота конструкции, к недостаткам — малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД, большие пульсации.
Так как диод обладает односторонней проводимостью на выходе выпрямителя, получается пульсирующее напряжение.
Рис. 3.3. Схема однофазного однополупе- риодного выпрямителя (а) и временные диаграммы (б)
Для схемы выпрямителя характерны следующие параметры: среднее значение выпрямленного напряжения, Ucpа » 0,45 f/BX; действующее значение выпрямленного напряжения UBblx » 2,22 Ucp; среднее значение выпрямленного тока /ср = 0,45 UBX/RH; действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора /2 а а 1,57/с ; коэффициент пульсаций р = 1,57.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой (рис. 3.4). Во время первого полу- периода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсами и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двухпо- лупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры: U = 0,9 UBX; UB = 1 > 11 UC9 /ср = 0,9 Ue)i/RH; /2 = 0,78/ср; р = 0,67.
Рис. 3.4. Схема двухполупериодного выпрямителя (а) и его временные диаграммы (б)
Рис. 3.5. Мостовая схема выпрямителя
К достоинствам такого двухполупериодного выпрямителя относятся удвоенные значения Ucp и /ср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с одно- полупериодной схемой, а к недостаткам — наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками. На диоды действует удвоенное обратное напряжение.
Мостовой выпрямитель (рис. 3.5). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1.
Параметры мостового выпрямителя такие же, как и у двухпо- лупериодной схемы со средним выводом. К достоинствам такого выпрямителя относится отсутствие сложного трансформатора и в два раза меньшее обратное напряжение на диодах. Недостатком схемы является в два раза большее количество диодов.
Трехфазные схемы выпрямителей часто применяются для получения напряжения большой мощности.
Рис. 3.6. Схема трехфазного однопо- лупериодного выпрямителя с нулевым выводом (а) и его временные диаграммы (б)
Трехфазный однополупериод- ный выпрямитель (рис. 3.6) с нулевым выводом (схема Мит- кевича). Каждая фаза такого выпрямителя смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой большее значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течение 1/3 периода, при этом необходимо наличие средней точки.
Среднее значение выпрямленного напряжения Ucp = = 1,17 UBX, обратное напряжение Чбр шах = 2,1 U коэффициент пульсаций р = 0,25.
Трехфазный двуполупериодный выпрямитель (схема Ларионова). Такая схема (рис. 3.7) находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни ампер.
По принципу действия схема аналогична однофазной двух- полупериодной (мостовой). Для нее характерно: U = 2,34 UBX, Чбртах= 1.05Чр. * = 0,057.
Схема имеет низкие пульсации, экономична. В реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8—10% из-за несси- метричности фазных питающих напряжений.
Выпрямитель с удвоением напряжения (рис. 3.8) применяется в выпрямительных аппаратах, рассчитанных на повышенные напряжения (1—2 кВ) при небольших токах нагрузки. Он обладает повышенной частотой пульсаций, пониженным обратным напряжением, хорошим использованием трансформатора, также возможностью работы без трансформатора.
Рис. 3.7. Схема трехфазного двуполу- периодного выпрямителя
Рис. 3.8. Схема выпрямителя с удвоением напряжения
Принцип работы такого выпрямителя заключается в следующем. За один полупе- риод через диод VD1 заряжается конденсатор С1, а за второй полупериод через второй диод VD2 заряжается второй конденсатор С2.
Выпрямленное выходное напряжение снимается с обоих конденсаторов, включенных последовательно. Каждый конденсатор заряжается по схеме одно- полупериодного выпрямителя, но суммарное напряжение оказывается двухполупериодным. Разряжаются конденсаторы только через нагрузку, поэтому частота пульсаций вдвое больше частоты сети. Выходное напряжение почти достигает удвоенной амплитуды напряжения вторичной обмотки, а рабочее напряжение конденсаторов равно амплитуде этого напряжения. Обратное напряжение на каждом диоде равно удвоенной амплитуде.
Несимметричные выпрямители с умножением напряжения находят широкое применение в высоковольтных выпрямителях при малых токах нагрузки в режиме, очень близком к холостому ходу.
На рис. 3.9 приведена схема однополупериодного выпрямителя с учетверением напряжения. Коэффициент умножения в такой схеме зависит от числа каскадов, каждый из которых состоит из конденсатора и диода. Напряжение на конденсаторах, кроме С1, равно 2 U2m (т.е. удвоенной амплитуде), а на С1 равно амплитуде вторичной обмотки.
Рис. 3.9. Схема выпрямителя с умножением напряжения
В течение одного полупе- риода заряжается С1 до напряжения обмотки, а СЗ до суммы напряжения обмотки и заряженного С2 минус напряжение на С1. При этом
С2 разряжается. В течение следующего полупериода заряжается конденсатор С2 до суммы напряжений обмотки и на С1, а С4 заряжается до суммы напряжений на обмотке, на С1 и на СЗ минус напряжение на конденсаторе С2. При этом конденсаторы С1 и СЗ разряжаются. Оба конденсатора С2 и С4 заряжаются до удвоенной амплитуды напряжения на обмотке. И как видно из схемы, результирующее напряжение снимается с этих же конденсаторов, соединенных последовательно.
Достоинства и недостатки
Достоинствами однополупериодной схемы выпрямления являются:
наличие только одного диода;
использование однофазного трансформатора.
К недостаткам схемы следует отнести:
относительно большое значение коэффициента пульсаций;
низкий коэффициент использования мощности трансформатора, так как он работает только в течение одного полупериода;
большая величина обратного напряжения на диоде.
Применение
Как правило, однополупериодную схему выпрямления применяют в маломощных выпрямителях с высокоомной нагрузкой, когда не требуется высокой степени сглаживания выпрямленного напряжения.
Уменьшение пульсации напряжения
Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. В простейшем случае – конденсатор. Схема однополупериодного выпрямителя, дополненного конденсатором С1, приведена на рисунке 18, а напряжение на его входе и выходе – на рисунке 19.
Коэффициент пульсации на выходе такого выпрямителя (для частоты питающей сети 50 Гц !) определяется по приближенной формуле:
, (3)
где сопротивление нагрузки Rн считают в омах, а емкость конденсатора С – в микрофарадах.
При увеличении частоты питающей сети коэффициент пульсации уменьшается в соответствующее количество раз.
Рис. 18. Однополупериодный выпрямитель, дополненный конденсатором С1
Рис. 19. Напряжение на входе и выходе однополупериодного выпрямителя, дополненного конденсатором С1
3.10.5. Двухполупериодная схема выпрямления
Состав
Двухполупериодная схема выпрямления (рисунок 20) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, работающих поочередно на одну нагрузку.
Он состоит из трансформатора T1 и двух диодов D1 и D2. Так же, как и ранее, в схеме для его исследования в качестве питающей сети используется источник переменного напряжения V2, в качестве нагрузки — резистор R2. Для получения временных диаграмм используется осциллограф.
Работа схемы
В течение одного полупериода ток протекает через диод D1, нагрузку R2 и половину вторичной обмотки трансформатора Т1. Во вторую половину периода работает вторая часть схемы. Таким образом, через нагрузку ток протекает в течение всего периода в одном направлении (рисунок 21.а).
Достоинства и недостатки
К недостаткам можно отнести наличие средней точки трансформатора, так как ее наличие усложняет конструкцию трансформатора и позволяет эффективно использовать лишь половину обмотки.
Применение
Двухполупериодный выпрямитель со средним выводом вторичной обмотки трансформатора применяют в низковольтных устройствах.
Уменьшение пульсаций напряжения
Для уменьшения пульсаций напряжения на выходе выпрямителя ставят сглаживающие фильтры. В простейшем случае, конденсатор. Схема двухполупериодного выпрямителя, дополненного конденсатором С1, приведена на рисунке 22, а напряжение на его выходе – на рисунке 21.б.
Коэффициент пульсации на выходе такого выпрямителя (для частоты питающей сети 50 Гц !) определяется по приближенной формуле:
, (4)
где сопротивление нагрузки Rн считают в омах, а емкость конденсатора С — в микрофарадах.
При увеличении частоты питающей сети коэффициент пульсации уменьшается в соответствующее количество раз.
Основные типы схем диодных выпрямителей, описание их работы, достоинства и недостатки каждой схемы
Перед тем, как начать писать про сами схемы диодных выпрямителей для начала, и для новичков, предлагаю разобраться с работой обычного диода. Давайте рассмотрим случай когда диоды имеют прямое и обратное подключение к источнику питания. Ниже на рисунке можно эти два способа подключения.
Допустим у нас имеется источник постоянного тока с напряжением 5 вольт, обычный выпрямительный диод и некоторая нагрузка, которая на рисунке представлена в виде резистора. Диод возьмем типа 1n4007, который может выдерживать ток до 1 ампера и имеет максимальное обратное напряжение до 1000 вольт. Как известно диоды являются полупроводниками. То есть, они способны проводить электрический ток только в одном направлении. На рисунке слева показано прямое подключение диода, с правой стороны мы видим обратное подключение.
При прямом включении диод открыт и достаточно свободно пропускает через себя ток. Но при этом, в любом случае, на диоде будет присутствовать небольшое падение напряжения. Величина этого напряжения у обычных диодов где-то порядка 0,6 вольт. Причем, чем больше сила тока, что проходит через диод, тем это падение напряжения также может увеличиваться (и быть более 1 вольта). Следовательно, если на нашем источнике постоянного тока имеется 5 вольт, то минимум диод оставит на себе 0,6 вольт. И на самой нагрузке уже будет напряжение на 0,6 вольт меньше, а именно вместо 5 вольт будет 4,4 вольта. Это явление обязательно нужно учитывать при расчетах своих блоков питания. При прямом включении в первую очередь имеет значение, какой максимальный ток может пропустить через себя диод, не выходя из строя из-за пробоя (теплового).
При обратном включении диод оказывается полностью закрытым, и ток он в этом случае через себя не пропускает. В этом случае, как видно из рисунка, все напряжение источника питания оседает именно на диоде. И это место подобно разомкнутому ключу. Естественно, нагрузка при этом не работает, поскольку через нее не может пройти электрический ток. Хотя все же токи утечки присутствуют у диодов, но они крайне малы и ими обычно пренебрегают.
Теперь несколько предложений насчет переменного тока и его особенностей. На графике переменный, синусоидальный ток имеет примерно такой вид.
То есть, у нас есть понижающий трансформатор, работающий с сетевым напряжением 220 вольт. Как на его входе, так и на выходе присутствует именно переменная форма тока и напряжения. Только на входе величина напряжения 220 вольт, а на выходе (в случае понижающего трансформатора) будет допустим 12 вольт. Но форма тока одинаковая. А что именно представляет собой этот переменный ток? Дело в том, что переменный тип тока – это постоянный ток, который меняет свою полярность со временем, имея при этом синусоидальную форму. На рисунке графика, что выше, выше нуля по оси времени, это положительная полуволна. Это когда на одном из двух проводов будет только плюс, а на втором только минус. А ниже этой оси будет отрицательная полуволна. На двух проводах плюс и минус поменяются местами. Переменный ток легко преобразуется и при передачи электроэнергии на большие расстояния имеет меньшие потери в линиях электропередач. Непосредственно для питания электроники переменный тип тока не используется.
Ну, а теперь давайте перейдем к первой схеме самого простого варианта диодного выпрямителя. Это однополупериодный диодный выпрямитель на одном диоде. Его схем представлена на рисунке ниже.
Как видно в этой простой схеме диод один и он подключен последовательно с концами выходной обмотки трансформатора. Работа данного типа выпрямителя сводится к тому, что он просто срезает одну полуволну из двух. На рисунке можно увидеть, что на концах вторичной обмотки указан переменный тип тока, а после диода уже постоянный тип тока, но имеющего достаточно большие пульсации. Чтобы сгладить эти пульсации и придать уже выпрямленному току более ровную и прямую форму, более соответствующую постоянному току, после диода ставится электролитический сглаживающий конденсатора.
Чем больше будет емкость сглаживающего конденсатора, тем лучше будет это самое сглаживание пульсирующего напряжения и тока. А принцип действия сглаживания очень прост. Конденсатор во время импульса заряжается, а когда импульса нет, то в это время конденсатор отдает ранее накопленный электрический заряд. В итоге получается за счет ранее накопленной конденсатором энергии сгладить форму электрического тока.
Из-за низкого КПД подобные схемы однотактных диодных выпрямителей используются крайне редко в силовых трансформаторах (с железным сердечником, работающие с частотой 50 Гц). Поскольку половина габаритной мощности самого трансформатора оказывается на востребованной. Но в маломощных импульсных блоках питания, однотактных обратноходовых они применяются часто. Поскольку сам принцип работы таких ИБП полностью соответствует однотактности и недостаток схемы данного типа выпрямителя полностью компенсируется и перестает быть таковым.
Вторая схема – это двухполупериодный мостовой диодный выпрямитель.
Данный тип диодного выпрямителя более востребован и чаще всего используется в схемах трансформаторных блоков питания (и не только). Хотя также имеет свои особенности и недостатки. Этот выпрямитель относится уже к типу двухтактных, поскольку выпрямляются сразу два полупериода переменного тока. Схема мостового диодного выпрямителя содержит в себе 4 одинаковых диода, рассчитанных на нужное обратное напряжение и максимальный прямой ток. Как видно на графике отрицательная полуволна просто переворачивается диодами вверх, тем самым дополняя положительную полуволну. В этом случае величина пульсаций уменьшается вдвое, по сравнению с однополупериодной схемой выпрямителя. Но все равно, чтобы эти пульсации свести к минимуму в схему нужно добавить сглаживающий конденсатора. Хотя емкость его уже может быть в два раза меньше предыдущего случая. В мостовой схеме в процессе выпрямления одно из полупериодов участвуют сразу два диода из четырех. Это показано на рисунке ниже.
То есть, электрическая цепь для одного полупериода будет содержать выходную обмотку трансформатора, к концам которой последовательно подключены два диода. И тут сразу можно заметить имеющийся недостаток этой схемы диодного выпрямителя. А именно, это то, что мы на выпрямителе уже теряем более одного вольта, и чем больше ток будет проходить через этот выпрямитель, тем большими будут потери как мощности, так и величины выходного напряжения. Если мы на вторичной обмотке имеем 5 вольт, а диоды как минимум оставят на себе 1,2 вольта, то в нагрузку дойдет только лишь 3,8 вольт. Думаю смысл понятен. Следовательно, данную разновидность диодных выпрямителей целесообразно использовать при малых токах. Поскольку большие токи будут понижать общий КПД схемы.
И последний тип диодного выпрямителя, это двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. То есть, это когда выходная обмотка силового трансформатора имеет средний вывод. Рисунок данной схемы можно увидеть ниже.
Этот тип диодных выпрямителей также является двухполупериодным, как и мостовая схема, представленная чуть выше. Имеет такую же величину пульсаций на выходе, которые можно сгладить все тем же электролитическим конденсатором. Хотя в это схеме уже используется всего два диода. Следовательно, меньше диодов, меньше потерь и КПД будет выше, но есть и свои недостатки у схемы. А именно, поскольку в один полупериода работает только одна часть вторичной обмотки, а вторая часть обмотки только во второй полупериод, то получается что увеличивается общая масса и габариты самого силового трансформатора. А это уже ведет к большему расходу железа и меди при изготовлении таких выпрямителей с такими трансформаторами. Ну, и больший вес и размеры, что также не всегда удобно. Но вот если эту схему использовать для высокочастотных импульсных трансформаторов, то имеющейся недостаток перестает быть таковым
Как известно, при увеличении рабочей частоты трансформатора значительно уменьшаются его размеры и вес. И в таких трансформаторах уже используются на железные сердечники, а ферритовые, вес которых также меньше. Следовательно, если импульсный блок питания работает допустим на частоте 50 кГц, то размеры трансформатора уже будут в разы меньше, чем в случае с трансформатором, рассчитанного на частоту 50 Гц. Так что двухполупериодные диодные выпрямителя со средней точкой повсеместно используются именно в импульсных блоках питания. Примером может быть обычный компьютерный БП.
P.S. Так что при разработке своих блоков питания обязательно учитывайте все имеющиеся достоинства и недостатки, присущие в вышеописанным типам диодных выпрямителей. Правильный выбор нужного типа диодного выпрямителя, это залог высокого КПД и минимальных размеров и массы конечного устройства.
НИЖЕ ВИДЕО ПО ЭТОЙ ТЕМЕ
Какие диодные выпрямители бывают, виды схем выпрямителей для блока питания, как они работают, каковы преимущества каждого из них