Однофазная мостовая схема выпрямления: 6.3. Однофазный мостовой выпрямитель

6.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.

Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя

На рис.6.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов для случая активного сопротивления нагрузки R_Н на выходе моста. К мосту подводится напряжение u₂, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u₁ на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.6.5,а, через коэффициент трансформации. Как и в случае выпрямителя с нулевым отводом, рассматриваются состояния схемы при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u₁.

Полярности напряжений на вторичной обмотке трансформатора для интервала фаз 0на рис.6.4 указаны без скобок, для интервала фазв скобках.

В интервале фаз 0положительное напряжение подводится к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д ₄, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д ₃ и к катоду диода Д ₂. Следовательно, диоды Д ₁ и Д ₂ будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д ₃ и Д ₄ – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R _Н.

Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного мостового выпрямителя

В интервале фаз изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д₃

и Д ₄ и к закрытию диодов Д ₁ и Д ₂ . Ток будет протекать через открытые диоды Д ₃ и Д ₄ , и напряжение в нагрузке R _Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряженияu₁ на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

На рис. 6.5,в приведена временная зависимость выпрямленного тока, которая согласно закону Ома определяется зависимостью , а на рис.6.5,г и 6.5,д – временные зависимости токов, протекающих через соответствующую пару диодов.

Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6. 2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).

Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д

1 подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д ₃. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно

U_{в max} = U₂ = 0,5π U_d, (6.9)

то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.

Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом

В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д

1и Д₃, вторая – на диодах Д₂и Д₄. Величины разнополярных напряженийu_d1иu_d2 равны 0,5 u_d– половине суммарного выходного напряжения.

Однофазные схемы выпрямления — Студопедия

При небольшой мощности нагрузки (до нескольких сотен ватт) преобразование переменного тока в постоянный осуществляют с помощью однофазных выпрямителей, питающихся от одно­фазной сети переменного тока. Такие выпрямители предназначе­ны для питания постоянным током различных устройств про­мышленной электроники, обмоток возбуждения двигателей постоянного тока небольшой и средней мощности и т. д.

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Сущность процесса выпрямления рассмотрим на примере простейшей однофазной однополупериодной (однотактной) схемы выпрямления. В этой схеме (рисунок 76) трансформатор имеет одну вторичную обмотку, напряжение u

2которой изме­няется по синусоидальному закону. Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда точка а вторичной обмотки, к которой присоединен анод вентиля V1, имеет положительный потенциал относительно точ­ки b, к которой через нагрузку присоединен катод.

В результа­те напряжение u₂оказывается приложенным к резистору R_d, через который начинает протекать ток нагрузки i_d.

Поскольку при активной нагрузке ток по фазе совпадает с напряжением, вентиль V1 будет пропускать ток до тех пор, пока напряжение u₂ не снизится до нуля. В отрицательные полупериоды (интервал времени t₁ – t₂ на рис.

76) к вентилю V1 прикладывается все напряжение источника U₂. Оно является для диода обрат­ным, и он будет закрыт.

Таким образом, на резисторе R_d будет пульсирующее напря­жение u_dтолько одной полярности, т.е. выпрямленное напряжение, которое будет описываться положительными полуволнами напряжения u₂ вторичной обмотки трансформато­ра Т. Ток в нагрузке i_d проходит в одном направлении, но име­ет также пульсирующий характер и представляет собой выпрямленный ток.

Рисунок 76 — Однофазный однополупериодный выпрямитель: схема и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы

Выпрямленные напряжения u_dи ток i_d содержат постоянную (полезную) составляющую U_d, I_d и переменную составля­ющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной со­ставляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57.

Для однополупериодной схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах вы­прямителя по отношению к соответствующим средним значениям на нагрузке.

Среднее за период значение выпрямленного напряжения при идеаль­ных вентилях и трансформаторе

U_d = 0,45 U₂

Максимальное значение обратного напряжения на вентиле

U_обр.max = √2U₂ = 3,14U_d

где U₂ — действующее значение напряжения вторичной обмотки тран­сформатора Т

Среднее значение тока, протекающего через вентиль и нагрузку

I_в.ср= I_d= I_m/π,

где I_m = U_m

/R_d — амплитуда тока цепи.

Действующее значе­ние тока цепи

I₂ = I_m /2

Таким образом, в однополупериодной схеме выпрямления среднее значение выпрямленного тока в π раз меньше его амплитуды, а действу­ющее значение — в 2 раза меньше амплитуды тока.

Средняя мощность, отдаваемая в нагрузку, определяется

P_d = U_dI_d

Расчетную (типовую) мощность S_т трансформатора, определяющую его габариты, можно представить как полусумму расчетных мощностей первичной S₁ = U₁I₁ и вторичной S₂ = U₂I₂ обмоток, т.е.

S_т = (S₁ + S₂) /2 = 3,09P_d

Следовательно, расчетная мощность трансформатора, работающего на выпрямитель, больше мощности в нагрузке в 3,09 раза, так как во вто­ричной обмотке проходит несинусоидальный ток, имеющий постоянную и переменные составляющие, а в первичной обмотке кроме тока основной частоты f

1— токи высших гармоник. По отношению к сети питания эти токи являются реактивными и, не создавая полезной мощ­ности, лишь нагревают обмотки трансформатора выпрямителя. Наличие во вторичной обмотке постоянной составляющей тока I_d увеличивает степень насыщения магнитпровода трансформатора, что вызывает воз­растание тока холостого хода, и как следствие этого возникает необхо­димость в завышении расчетной мощности трансформатора.

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора определяется формулой

I₂ = 1,57I_d

Действующее значение напряжения вторичной обмотки

U₂ = 2,22U_d

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффициен­та трансформации трансформатора n = U₁/U₂равно

I₁ = I₂/n

Недостатки этой схемы выпрямления следующие: плохое ис­пользование трансформатора, большое обратное напряжение на вентилях, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Достоинства выпрямителя: простота схемы и пи­тающего трансформатора; применяется только один вентиль или одна группа последовательно соединенных вентилей.

Двухполупериодная однофазная схема со средней точкой

Схема (рис. 77) состоит из трансформатора Т, имеющего одну первичную и две последовательно соединенные вторичные обмотки с выводом общей (нулевой) точки у этих обмоток. Коэффициент трансформации nопределяется отноше­нием U₁/U₂,где U₂ — напряжение каждой из вторичных обмо­ток (фазные напряжения), сдвинутые относительно друг друга на 180°.

Свободные концы вторичных обмоток а и Ь присоединяются к анодам вентилей V1 и V2, катоды которых соединяются вместе. Нагрузка R_dвключается между катодами вентилей, ко­торые являются положительным полюсом выпрямителя, и нуле­вым выводом 0 трансформатора, который служит отрицатель­ным полюсом.

Рисунок 77 — Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: схема и диаграммы напряжений и токов на элементах схемы

Вентили в этой схеме, как и вторичные обмотки трансформа­тора, работают поочередно, пропуская в нагрузку ток при по­ложительных значениях анодных напряжений u_2a и u_2b.

Действительно, при изменении напряжения в точках а и b, в тот полупериод, когда напряжение в обмотке 0а положительно, ток проводит вентиль V1, анод ко­торого положителен по отношению к катоду, связанному через резистор R_dс точкой 0 вторичных обмоток. Анод вентиля V2, так же как вывод b обмотки 0b, в этот полупериод (t₀-t₁) отрицателен по отношению к нулевому выводу 0 и, следователь­но, тока не пропускает.

В следующий полупериод (интервал времени t₁-t₂ на рис. 77), когда напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора изменяют свою полярность на обратную, ток бу­дет пропускать вентиль V2. Врезультате к нагрузке R_dбудет те­перь приложено напряжение u_2b, а ток i_d будет равен току i_в2 вентиля V2. Вентиль V1 выключится, так как к нему будет при­ложено обратное напряжение. Спустя полупериод, начиная с момента времени t₂, процесс повторяется: ток будет прово­дить вентиль V1, а вентиль V2 выключится и т.д.

Ток i_dв нагрузке все время течет в одном направлении — от катодов вентилей к нулевой точке 0 вторичных обмоток тран­сформатора, и на резисторе R_d появляется выпрямленное пуль­сирующее напряжение u_d содержащее постоянную и перемен­ную составляющие.

Для однофазной нулевой схемы справедливы следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах вы­прямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения

U_d = 0,9U₂,

где U₂ — действующее значение напряжения на вторичной полуобмотке,

U₂ = 1,11 U_d

Среднее значение выпрямленного тока в нагрузке

I_d = U_d/R_d

Среднее значение тока через каждый вентиль в 2 раза меньше тока I_d, проходящего через нагрузку, т.е.

I_в.ср = 0,5I_d

Действующее значение тока вентиля I_в равно действующему значению тока вторичной обмотки трансформатора I₂ и определяется формулой

I₂ = 1,57 I_в.ср

Вентиль, не работающий в отрицательную часть периода, оказывается под воздействием обратного напряжения, равного двойному фазному напряжению 2U₂. Максимальное значение обратного напряжения

U_обр.max = 2√2U₂ = 3,14U_d

Действующее значение тока первичной обмотки с учетом коэффи­циента трансформации n,выраженное через ток I_d,

I₁ = √2 I₂/n = 1.11 I_d/n

Расчетные мощности обмоток трансформатора определяют по произ­ведениям действующих значений токов и напряжений: S₁ = U₁I₁ = 1,23 P_d и S₂ = 2U₂I₂⁼ 1,74P_d, а типовую мощность — как полусум­му мощностей S₁ и S₂, т.е.

S_T = (S₁ + S₂)/2 = 1,48P_d

Оценка качества выпрямленного напряжения производится посредством коэффициента пульсации, который представляет собой отношение амплитуды первой (основной) гармонической U_d1m, как наибольшей из всех остальных к среднему значению напряжения U_dи определяется по формуле

q = U_d1m / U_d = 2/(m² -1)

где m — число фаз выпрямления, т. е. число полуволн выпрям­ленного напряжения, приходящихся на один период переменно­го тока, питающего выпрямитель.

Для рассматриваемой схемы частота первой гармоники пуль­сации f_n1 = 2f_c при частоте питающей сети f_c = 50 Гц состав­ляет 100 Гц. Подставляя в последнею формулу m = 2, определяем коэффици­ент пульсации: q = 0,67.

Однофазная мостовая схема

Состоит из трансформатора Т сдвумя обмотками и четырех диодов V1 — V4, соединенных по схеме моста (рисунок 78, а). К одной диагонали моста (точки 1,3) присоединяется вторичная обмотка, а в другую (точки 2, 4) включается нагрузка R_d. Общая точка катодов вентилей V1 и V2 является положительным полюсом выпрямителя, а отрица­тельным — точка связи анодов вентилей V3 и V4.

Вентили в этой схеме работают парами поочередно. В положи­тельный полупериод напряжения u₂ соответствующая поляр­ность которого обозначена без скобок, проводят ток вентили V1 и V3, а к вентилям V2 и V4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напря­жения u₂ будут проводить ток вентили V2 и V4, а вентили VI и V3 закрыты и выдерживают обратное напряжение u_обр = u₂.

Рисунок 78 — Однофазный мостовой выпрямитель:

а — схема включения; б и в — временные диаграммы напряжений и токов на элементах схемы

Далее указанные процессы периодически повторяются. Диаг­раммы токов и напряжений на элементах схемы (рис. 78, в) будут такими же, как для однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Ток i_dвнагрузке проходит все время в одном направле­нии — от соединенных катодов диодов VI и V2 к анодам дио­дов V3 и V4. Ток I₂ во вторичной обмотке трансформатора (рисунок 78, б) меняет свое направление каждые полпериода и будет синусоидальным. Постоянной составляющей тока во вторичной обмотке нет. Следовательно, не будет подмагничивания сердеч­ника трансформатора постоянным магнитным потоком. Ток i₁ в первичной обмотке трансформатора также синусоидальный.

Средние значения выпрямленного напряжения U_dи тока I_в.ср через вентиль в этой схеме получаются такими же, как и в двухполупериодной схеме с нулевой точкой.

Обратное напряжение, приложенное к закрытым вентилям, определяется напряжением U₂вторичной обмотки трансформа­тора, так как не работающие в данный полупериод вентили ока­зываются присоединенными ко вторичной обмотке трансформа­тора Т через два других работающих вентиля, падением напря­жения в которых можно пренебречь. Следовательно,

U_обр.max = √2U₂ = 1,57U_d

Токи во вторичной и первичной обмотках трансформатора определяются по формулам

I₂ = U₂/R_d I₁ = I₂/n

Типовая мощность трансформатора

S_T = 1,23P_d

На рисунке 79 также представлена однофазная мостовая схема, аналогичная рассмотренной. Чаще всего именно так изображается мостовое включение выпрямительных диодов.

 

Рисунок 79 – Схема однофазного мостового выпрямителя

Сравним достоинства двухполупериодных однофазных схем выпрямления.

Однофазная нулевая схема:

1) Число вентилей в 2 раза меньше, чем в однофазной мосто­вой.

2) Потери мощности в выпрямителе будут меньше, так как в нулевой схеме ток проходит через один вентиль, а в мостовой — последовательно через два.

Однофазная мостовая схема:

1) Амплитуда обратного напряжения на вентилях в 2 раза меньше, чем в нулевой схеме.

2) Вдвое меньше напряжение (число витков) вторичной обмотки трансформатора при одинаковых значениях напряжения U_d

3) Трансформатор имеет обычное исполнение, так как нет вы­вода средней точки на вторичной обмотке.

4) Расчетная мощность трансформатора на 25% меньше, чем в нулевой схеме, следовательно, меньше расходуется меди и железа, меньше будут размеры и масса.

Данная схема выпрямителя может работать и без трансфор­матора, если напряжение сети U₁ подходит по значению для по­лучения необходимого напряжения U_dи не требуется изоляции цепи выпрямленного тока от питающей сети.

Трёхфазные схемы выпрямления

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку вентилей по току, уменьшает коэффициент пульсаций и повы­шает частоту пульсации выпрямленного напряжения, что облег­чает задачу его сглаживания.

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом (или трехфазная нулевая)

К сети трехфазного тока подключен тран­сформатор Т, три первичные обмотки которого могут быть сое­динены в звезду или треугольник, вторичные обмотки — только в звезду (рисунок 80, а). Свободные концы а, Ь, с каждой из фаз вторичной обмотки присоединяются к анодам вентилей VI, V2, V3. Катоды вентилей соединяются вместе и служат положи­тельным полюсом для цепи нагрузки R_d, а нулевая точка 0 вторичной обмотки трансформатора — отрицательным полюсом.

Рисунок 80 — Трехфазный выпрямитель с нулевой точкой:

а — схема соединения обмоток трансформатора и вентилей;

6 — г- диаграммы напряжений и токов на элементах

Из временной диаграммы на рисуноке 80 видно, что напряжения u_2a,u_2b,u_2с сдвинуты по фазе на одну треть периода (Т/3или 120°) и в течение этого интервала напряжение одной фазы выше напряжения двух других фаз относительно нулевой точки трансформатора. Ток через вентиль, связанную с ним вторич­ную обмотку и нагрузку будет протекать в течение той трети периода, когда напряжения в данной фазе больше, чем в двух других. Работающий вентиль прекращает проводить ток тогда, когда потенциал его анода становится ниже общего потенциала катодов, и к нему прикладывается обратное напряжение.

Переход тока от одного вентиля к другому (коммутация то­ка) происходит в момент пересечения кривых фазных напряже­ний (точки а, б, в и г на рис. 80, б). Выпрямленный ток i_dпроходит через нагрузку R_d непрерывно (рис. 80, в).

Напряжение u_dна выходе выпрямителя в любой момент вре­мени равно мгновенному значению напряжения той вторичной обмотки, в которой вентиль открыт, и выпрямленное напряже­ние представляет собой огибающую верхушек синусоид фазных напряжений u_2ф трансформатора Т.

Следовательно, анодный ток будет иметь форму прямо­угольника с основанием Т/3, ограниченного сверху отрезком си­нусоиды. На рисунке 80, г изображен ток фазы а, токи фаз б и с изображаются подобными кривыми, сдвинутыми на 120° от­носительно друг друга.

Для трехфазной нулевой схемы выпрямления характерны следующие соотношения между напряжениями, токами и мощностями в отдельных элементах выпрямителя.

Среднее значение выпрямленного напряжения

U_d = 1,17U_2ф,

где U_2ф — действующее значение фазного напряжения на вторичной об­мотке трансформатора.

Выпрямленное напряжение u_dсодержит постоянную составляющую U_dи наложенную на нее переменную составляющую, имеющую трехкратную частоту по отношению к частоте сети. Коэффициент пульса­ций напряжения на выходе выпрямителя

q = 2/(m² -1) = 2/(3² -1) = 0,25

Обратное напряжение U_обр приложенное к неработающему вентилю, равно междуфазному (линейному) напряжению вторичных обмоток тран­сформатора, так как анод закрытого вентиля присоединен к одной из фаз, а катод через работающий вентиль присоединен к другой фазе вто­ричной обмотки Т. На рисунок 80, г показана кривая обратного напряжения U_обр между анодом и катодом вентиля V1.

Максимальное значение U_обр равно амплитуде линейного напряжения на вторичных обмотках трансформатора, т.е.

U_обр.max = √3 √2 U_2ф = 2,09U_d

Каждый вентиль в данной схеме работает 1 раз за период в течение Т/3. Следовательно, среднее значение тока через вентиль в 3 раза меньше тока нагрузки, т.е.

I_в.ср = (1 /3)I_d

Действующее значение токов во вторичной обмотке I₂ и вентиля I_в,д определяется формулой

I₂ = I_в,д = √3I_в.ср = 0,585 I_d

Таким образом, в данной схеме токи вторичных обмоток имеют пуль­сирующий характер и содержат постоянные составляющие.

Среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньше тока I_d

I_в.ср = 0,33I_d

При одинаковом числе фаз первичной и вторичной обмоток трансфор­матора и одинаковых схемах соединения обмоток (звез­да-звезда) действующее значение первичного фазного тока I₁меньше при­веденного значения вторичного фазного тока I₂, так как в кривой тока первичной обмотки отсутствует постоянная составляющая, которая не трансформируется, т. е.

I₁ ≈ 1/n 0,47I_d

Поочередное прохождение однонаправленных токов по вторичным об­моткам трансформатора, которые не полностью компенсируются токами первичной обмотки, создает в стержнях сердечника поток Ф_о одного на­правления, значение которого составляет 20-25% основного магнитно­го потока Ф_в трансформатора и который изменяется с тройной частотой в соответствии с пульсацией анодного тока.

На­личие потока однонаправленного или вынужденного подмагничивания Ф_о в сердечнике приводит к увеличению тока холостого хода, в резуль­тате чего сердечник трансформатора насыщается, а в стальной арматуре возникают дополнительные тепловые потери. Помимо насыщения сердеч­ника трансформатора такой поток приводит к значительному возраста­нию падения напряжения в обмотках, что вызывает резкое уменьшение среднего значения выпрямленного напряжения.

Устранить эти нежелательные явления можно либо увеличением сече­ния сердечника трансформатора, а следовательно, и типовой мощности трансформатора, либо уменьшением амплитуды основного потока Ф_в. При заданной мощности трансформатора это приводит к увеличению раз­меров магнитной системы и влечет за собой повышение не только массы стали, но и массы обмоток трансформатора, поскольку с повышением пе­риметра сечения сердечника растет и средняя длина витка у обмоток.

Типовая мощность трансформатора при соединении вторичных обмо­ток в звезду

S_т = (S₁ + S₂) /2 = 1,35P_d

Трехфазная мостовая схема выпрямления

Выпрямитель в данной схеме состоит их трансформатора, первичные и вторич­ные обмотки которого соединяются в звезду или треугольник, и шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 81, а):

1) катодную, или нечетную (диоды V1, V3 и V5), в которой электрически связаны катоды вентилей и общий вы­вод их является положительным полюсом для внешней цепи, а аноды присоединены к выводам вторичных обмоток тран­сформатора;

2) анодную, или четную (диоды V2, V4 и V6), в ко­торой электрически связаны между собой аноды вентилей, а катоды соединяются с анодами первой группы.

Общая точка связи анодов является отрицательным полюсом для внешней цепи. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей, т.е. к диагонали выпрямленного моста.

Катодная группа вентилей повторяет режим работы трехфаз­ной нулевой схемы. В этой группе вентилей в течение каждой трети периода работает вентиль с наиболее высоким потенциа­лом анода (рис. 81, 6). В анодной группе в данную часть периода работает тот вентиль, у которого катод имеет наиболее отрица­тельный потенциал по отношению к общей точке анодов.

Вентили катодной группы открываются в момент пересече­ния положительных участков синусоид (точки а, 6, в и г на рис. 81, 6), а вентили анодной группы — в момент пересечения отрицательных участков синусоид (точки к, л, м и н). Каждый из вентилей работает в течение одной трети периода (Т/3, или 2π/3).

Рисунок 81 — Трехфазная мостовая схема выпрямителя:

а — схема соединения элементов; б — в-временные диаграммы на­пряжений и токов

При мгновенной коммутации тока в трехфазной мостовой схеме в любой момент времени проводят ток два вентиля — один из катодной, другой из анодной группы, при этом любой вентиль одной группы работает поочередно с двумя вентилями другой группы, соединенными с разными фазами вторичной обмотки (рис. 81, г и д). Иными словами, проводить ток будут те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение u_2л. Например, на интервале времени t₁ – t₂ток проводят вентили V1, V6, на интервале t₂ — t₃—вен­тили V1, V2, на интервале t₃ – t₄ — вентили V3, V2 и т.д. Та­ким образом, интервал проводимости каждого вентиля состав­ляет 2π/3, или 120° (рис. 81, е), а интервал совместной ра­боты двух вентилей равен π/3, или 60°. За период напряжения питания Т = 2πпроисходит шесть переключений вентилей (шесть тактов), в связи с чем такую схему выпрямления часто называют шестипульсной.

Следует отметить, что нумерация вентилей в данной схеме не носит случайный характер, а соответствует порядку их вступле­ния в работу при условии соблюдения фазировки трансформа­тора. Через каждую фазу трансформато­ра ток i₂ будет проходить в течение 2/3 периода: 1/3 периода — положительный и 1/3 — отрицательный. Ток i_dв нагрузке все время проходит в одном направлении. Контур тока нагрузки при открытых вентилях V1 и V6 показан на схеме (рис. 81, а) тонкой черной линией.

Выпрямленное напряжение u_d в этой схеме описывается верх­ней частью кривых междуфазных (линейных) напряжений (рис. 81, е). Частота пульсаций кривой u_d равна 6f₁,коэффи­циент пульсаций напряжения на выходе выпрямителя

q = 2/(m² -1) = 2/(6² -1) = 0,25= 0,057

Обратное напряжение на закрытом вентиле определяется разностью потенциалов его катода и анода. Максимальное зна­чение обратного напряжения на вентиле в трехфазной мостовой схеме равно амплитуде линейного напряжения вторичной обмот­ки трансформатора, т.е. U_o6p.max = √2 U_2л = 1,05 U_d.При открытом состоянии двух вентилей выпрямительного моста другие четы­ре вентиля закрыты приложенным к ним обратным напряже­нием. Выпрямленный ток i_d при работе на чисто активную нагруз­ку полностью повторяет кривую напряжения u_d.

Напряжение на нагрузке по сравнению с трехфазной схемой с нулевым выводом получается вдвое большим. Это объясняется тем, что трехфазная мостовая схема выпрямителя представляет собой как бы две трехфазные схемы с нулевым выводом, выходы которых вклю­чены последовательно. Это сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.

U₂ = π/3√6 = 0,425U_d

Среднее значение тока через каждый вентиль в 3 раза меньше тока I_d

I_в.ср = 0,33I_d

Токи во вторичной и первичной обмотках трансформатора определяются по формулам

I₂ = I_в,д = √(2/3) = 0,585I_d I₁ = I₂/n

Типовая мощность трансформатора

S_T = π/3 P_d = 1,045P_d

Электропоезда переменного тока | Схемы выпрямления переменного тока

Основными элементами в любой схеме выпрямления являются вентили, которые пропускают ток по электрической цепи только в одном направлении. Вентили могут включаться по различным схемам, в зависимости от этого изменяется форма выпрямленного тока и напряжения. Рассмотрим несколько схем выпрямления при работе выпрямителя на активную нагрузку без учета прямого падения напряжения и обратного тока вентилей, активного сопротивления и индуктивности обмоток трансформатора.

Мгновенное напряжение на выходе выпрямителя и приложенное к нагрузке называют мгновенным выпрямленным напряжением и0. Мгновенный ток, потребляемый нагрузкой, называют мгновенным выпрямленным током 1о- Среднее выпрямленное напряжение выпрямителя обозначают II о, а средний выпрямленный ток — 1о.

Схема однополупериодного выпрямления. Схема (рис. 104, о),состоит из одного вентиля В, включенного последовательно с нагрузкой А?„ в цепь вторичной обмотки трансформатора. При синусоидальном напряжении и{ на первичной обмотке трансформатора напряжение и2 на вторичной обмотке также будет синусоидальным (рис. 104,6). В течение положительной полуволны начало вторичной обмотки (на схеме обозначено точкой) имеет более высокий потенциал, чем ее конец, напряжение приложено к вентилю в проводящем направлении. Вентиль проводит ток 1о, а напряжение ий на нем равно нулю. Напряжение и0 на нагрузке равно напряжению вторичной обмотки трансформатора. Под действием этого напряжения по нагрузке будет протекать ток г’о, мгновенное значение которого определяется соотношением 1о= но/Ян- Ток 1о изменяется в фазе с напряжением и0 и поэтому может быть изображен той же кривой с измененным масштабом (рис. 104, в). Когда вторичное напряжение изменит направление, вентиль запирается и ток через него становится равным нулю. При этом все напряжение вторичной обмотки будет приложено к вентилю в обратном направлении (рис. 104, г). Когда этот полупериод закончится, ток вновь начнет протекать через вентиль. Таким образом, рассмотренная схема выпрямляет однофазный ток через каждый полупериод.

Схема двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Данная схема по существу представляет собой объединение двух рассмотренных схем однополупериодного выпрямления. В схеме с нулевым выводом (рис. 105, а) включены две вторичные обмотки трансформатора, соединенные между собой через нулевой вывод, в который включено активное сопротивление 1?„. Кроме того, в цепях каждой обмотки находится по одному вентилю, которые присоединены в общей точке к сопротивлению

К первичной обмотке трансформатора подводится синусоидальное напряжение и\. В первую половину периода, когда напряжение ик положительно, а ыв — отрицательно, ток под действием напряжения ик протекает через вентиль 1; во вторую половину периода, когда положительным становится напряжение «в, а «д — отрицательным, ток протекает через вентиль 2 под действием

положительного напряжения ив. Таким образом, ток и напряжение выпрямляются уже в оба полупериода, но пульсация их остается по-прежнему от нуля до максимального значения (рис. 105, б, в, г, д, е, ж). Величины обратных напряжений на выпрямителях достигают удвоенного максимального фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора.

Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом. На электроподвижном составе для питания вспомогательных цепей применяют трехфазную схему выпрямления. Простейшей трехфазной схемой выпрямления является трехфазная схема с нулевым выводом (рис. 106, о). Питание трехфазной схемы осуществляется от трехфазной сети через трехфазный трансформатор Т. Вторичные обмотки трансформатора соединены в «звезду». Каждая фаза работает поочередно.

В момент 1о (рис. 106, б) из трех напряжений их, ив, ис положительным является напряжение фазы А. Напряжение и0 на нагрузке 1?„ равно фазному напряжению иЛ. Такое положение будет сохраняться до момента 1\, когда «Л = ив. До этого момента тока в фазе В нет. Даже когда напряжение фазы В, пройдя

Рис. 104. Схема однополупериодного выпрямителя:

а — схема выпрямления; б — напряжение вторичной обмотки трансформатора; в — выпрямленное напряжение; г — обратное напряжение на вентиле

Рис. 105. Схема двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом:

а — схема выпрямления; 0 — фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора; в — выпрямленное напряжение и ток; г — напряжение на вентиле 1; д — ток фазы А вторичной обмотки трансформатора и вентиля 1; с — ток фазы В вторичной обмотки трансформатора и вентиля 2; ж — ток первичной обмотки трансформатора

через нуль, становится положительным, ток в ней до момента t\ будет равен нулю, так как вентиль 2 заперт обратным напряжением, определяемым разностью напряжений фаз Л и В. До момента t2 ток на нагрузку R„ будет протекать только через фазу В и вентиль 2. В момент t\ вентиль 1 закрывается, а вентиль 2 открывается, так как напряжение фазы В становится выше напряжения фазы А. Коммутация (переключение) тока с вентиля 1 на вентиль 2 происходит мгновенно, исходя из допущения, что индуктивность обмоток трансформатора равна нулю. Через нагрузку Rn будет проходить ток фазы В iv, = U; до момента 12, когда в работу вступит фаза С. При этом произойдет коммутация тока с вентиля 2 на вентиль 1 (рис. 106, ж). В интервале г,—/2 напряжение на нагрузке равно напряжению фазы В: и0 = «в, в интервале 12—(3 — напряжению фазы С:

Отсюда видно, что в трехфазной схеме выпрямления, каждая фаза питает нагрузку RH в течение ‘/з периода. Две трети периода каждый из вентилей закрыт обратным напряжением.

Рис. 106. Трехфазная схема выпрямления с нулевым выводом:

а — схема выпрямления; б — — фазные напряжения вторичной обмотки трансформатора; в — выпрямленное напряжение и ток; г — напряжение на вентиле >; д, е, ж — токи в фазах А, б, С вторичной обмотки трансформатора

Рис. 107. Однофазная мостовая схема:

а — схема выпрямления; б — — напряжение вторичной обмотки трансформатора; а — выпрямленное напряжение и ток; г — напряжение вентиля 1, о — ток вентиля 1; е — ток вторичной обмотки трансформатора

В этой схеме кривая выпрямленного напряжения представляет собой огибающую кривую верхних частей полуволн фазных напряжений (рис. 106, в) и пульсация выпрямленного напряжения и0, а следовательно, и тока г0 уже меньше, чем в схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Кривая обратного напряжения и.\, которым 2/3 периода закрыт каждый из вентилей, показана на рис. 106, г. Максимальное значение обратного напряжения, прикладываемого к каждому вентилю, в уЗ раз больше максимального фазного напряжения £/,„ач или равно максимальному значению вторичного линейного напряжения. Количество пульсаций выпрямленного напряжения за один период питающего напряжения переменного тока

Ш = 1;; 1’/’,

где 1″„ — частота пульсаций выпрямленного напряжения; I — частота питающего переменного тока.

Время между пульсациями выпрямленного напряжения называют периодом повторяемости.

Однофазная мостовая схема выпрямления. Широкое распространение на электроподвижном составе нашли однофазные мостовые схемы выпрямления. Эти схемы имеют преимущества по сравнению со схемами двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Благодаря лучшему использованию вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме габариты и масса трансформатора значительно меньше, чем при схеме двухполупериодного выпрямления с нулевым выводом. Мостовая однофазная схема (рис. 107, а) состоит из однофазного трансформатора, вторичная обмотка которого питает вентили, соединенные по мостовой схеме.

При включении переменного напряжения и\ на первичную обмотку на вторичной обмотке возникает переменное напряжение и2. В течение положительной полуволны напряжения и2 на вторичной обмотке трансформатора ток 12 будет проходить через вентиль 1, активную нагрузку Я„ и вентиль 3. В следующий полупериод при изменении направления напряжения и2 ток проходит через вентиль 2, активную нагрузку 1?„ и вентиль 4.

Таким образом, в оба полупериода направление протекающего через нагрузку 1?н тока г0 сохраняется постоянным. Ток через каждый вентиль, как и в двух-полупериодной схеме с нулевым выводом, протекает только в течение одного полупериода (рис. 107, б, в). Но при выпрямлении по мостовой схеме вторичная обмотка трансформатора работает в оба полупериода вся (рис. 107, е), тогда как при двухполупериодной схеме с нулевым выводом в течение полупериода работает лишь половина вторичной обмотки трансформатора. В этом преимущество мостовой схемы.

Кривые выпрямленного тока и напряжения в мостовой схеме такие же, как и в двухполупериодной схеме с нулевым выводом. Но в мостовой схеме обратное напряжение на вентилях (рис. 107, г) достигает лишь амплитудного значения фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, т. е. в 2 раза меньше, чем в схеме с нулевым выводом. В этом второе преимущество мостовой схемы.

Трехфазная мостовая схема выпрямления. Питание данной схемы происходит через трехфазный трансформатор, вторичные обмотки которого соединены в «звезду». В данной схеме применяются две группы вентилей (рис. 108).

В первую (катодную) группу входят вентили 1, 3 и 5, во вторую (анодную) — 4, 6 и 2. В первой группе ток проводит один из трех вентилей, имеющий в данный момент наибольший положительный потенциал анода, соответственно во второй

группе ток проводит вентиль, имеющий в данный момент наиболее отрицательный потенциал катода.

В момент времени го (рис. 108, а) наибольший положительный потенциал получает фаза В, тогда как наибольший отрицательный потенциал сохраняет фаза С. Поэтому ток в момент времени 10 проходит от фазы В через вентиль 3, активную нагрузку 1?„, вентиль 2 к фазе С. Через вентиль 2 ток будет проходить до момента г1, т. е. до тех пор, пока отрицательный потенциал на вентиле 2 будет больше, чем на вентилях 4 и 6.

В момент времени 1\ отрицательные э. д. с. фазы С и фазы А выравниваются, а потом отрицательная э. д. с. фазы А увеличивается и в вентилях второй, анодной группы происходит коммутация тока с вентиля 2 на вентиль 4, который проводит ток с 1\ до (3.

В первой, катодной группе вентилей ток через вентиль 3 будет проходить в течение времени 1о—»*2. В момент г2 происходит коммутация тока с вентиля 3 на вентиль 5 и т. д. Из рассмотрения схемы и диаграмм видно, что два вентиля по одному из первой и второй групп работают совместно в течение ‘/б части периода. Поэтому в течение периода пульсация выпрямленного напряжения и тока происходит 6 раз.

Анализируя приведенные схемы, можно сделать вывод, что основными величинами, характеризующими выпрямители, являются среднее значение выпрямленного напряжения и максимальное обратное напряжение на вентилях.

Сглаживание пульсаций выпрямленного тока. Во всех схемах, рассмотренных выше, мы наблюдаем пульсацию электрического тока, что сказывается на работе аппаратов, питающихся этим током. Однако при включении индуктивности в цепь нагрузки происходит сглаживание пульсаций. На моторных вагонах электропоездов переменного тока пульсирующим выпрямленным напряжением питают тяговые двигатели. Форма и величина тока в этом случае определяются в основном противо-э. д. с. двигателей и индуктивностью цепи выпрямленного тока. Индуктивность тяговых двигателей небольшая, поэтому в их цепи в качестве дополнительной индуктивности включают сглаживающие реакторы.

Рассмотрим процесс сглаживания пульсаций выпрямленного тока за счет наличия в цепи тяговых двигателей индуктивности. Мгновенное значение пульсирующего напряжения выпрямителя ио (рис. 109) уравновешивается противо-э. д. с. вращения якорей тяговых двигателей едв, которая может также пульсировать, падением напряжения

в активном сопротивлении цепи г’0/?дв и э. д. с. самоиндукции ес, вызываемой пульсацией выпрямленного тока, т. е.

«о = <?дв + 1оЛдв + ес. (35)

Если пренебречь падением напряжения на активном сопротивлении цепи, то получим:

На графике (см. рис. 109) э. д. с. самоиндукции выражается отрезками ординат, показанных штриховкой. Из графика видно, что в интервалах 1і— її и Із — £4, когда напряжение выпрямителя и0 больше противо-э.з, когда и0 меньше елв (ес — отрицательная), выпрямленный ток уменьшается.

Относительная пульсация кпо определяется соотношением

I таь — Лпш |„„л1 (38)

■•но .—/0. zl ср

В силовых схемах однофазного выпрямленного тока допускается относительная пульсация ±(25—30)%. ‘

При уменьшении нагрузки относительная пульсация увеличивается, а для обеспечения хорошей коммутации тяговых двигателей относительную пульсацию желательно поддерживать постоянной как можно в более широком диапазоне нагрузок. Поэтому необходимо, чтобы индуктивность цепи’ выпрямленного тока LB была не постоянной, а менялась с изменением нагрузки по закону гиперболы (кривая 1, рис. ПО):

/ср1в = const. (39)

Исходя из сказанного, необходимо, чтобы сглаживающие реакторы на моторных вагонах имели характеристику, приближенную к гиперболе. Такую характеристику обеспечивают реакторы со стальным сердечником. При малых нагрузках реактор с сердечником работает на прямолинейной часта кривой намагничивания (кривая 2 на рис. ПО), а следовательно, и индуктивность ДФ/А1 имеет наибольшее и постоянное значение. При увеличении нагрузки режим работы реактора переходит на более пологую часть кривой намагничивания, и индуктивность его уменьшается.

На электропоездах переменного тока применяют сглаживающие реакторы СР-800. Пульсации тока, а следовательно, и магнитного потока главных и дополнительных полюсов тягового двигателя вызывают вихревые токи в остове, увеличивающие нагрев обмоток двигателей, и отрицательно сказываются на коммутации тяговых двигателей. Пульсация магнитного потока главных полюсов вызывает также трансформаторную э. д. с. в коммутирующих витках обмоток якоря. Чтобы избавиться от трансформаторной э. д. с.в коммутирующих витках и улучшить коммутацию, уменьшают пульсацию тока возбуждения с помощью активных сопротивлений, включенных параллельно обмотке главных полюсов. При этом постоянная составляющая тока разветвляется обратно пропорционально активным сопротивлениям, а переменная — обратно пропорционально индуктивным сопротивлениям. Поэтому переменная составляющая тока полностью протекает по сопротивлению, включенному параллельно обмотке главных полюсов. Сочетание

в работе схемы сглаживающего реактора и шунтировки обмоток главных полюсов активным резистором обеспечивает устойчивую работу тяговых двигателей постоянного тока при пульсирующем напряжении.

Коммутация тока в схемах выпрямления. При рассмотрении схем выпрямления мы не принимали во внимание индуктивность трансформатора, т. е. считали ее равной нулю. На самом деле индуктивность существует и она влияет на процесс переключения тока с одного вентиля на другой — на коммутацию тока. В действительных схемах из-за наличия индуктивности обмоток трансформатора мгновенная коммутация невозможна и существует определенный переходный процесс переключения, когда ток в одном вентиле уменьшается, а в другом — увеличивается и одновременно оказываются открытыми два соседних (по порядку включения) вентиля.

Рассмотрим процесс коммутации на примере однофазной мостовой схемы выпрямления (см. рис. 107), принимая, что: активное сопротивление вторичной обмотки трансформатора и прямые сопротивления вентилей равны нулю; имеется индуктивность обмоток трансформатора; нагрузкой выпрямителя является большая индуктивность. На рис. 111 показаны кривые изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, выпрямленного напряжения и токов вентилей 1-3 и 2-4. В момент, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора за рассматриваемый полупериод упадет до нуля, выпрямленный ток будет продолжать протекать в прежнем направлении (через вентили 1-3) благодаря действующей э. д. с. самоиндукции вторичной обмотки трансформатора. Постепенный переход нагрузки с вентилей 1-3 на вентили 2-4 начинается тогда, когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора изменяет свое направление и начинает действовать против тока в этой обмотке. Это и будет коммутацией. В период коммутации напряжение на нагрузке выпрямительной установки равно нулю. Длительность процесса коммутации выражают в угловых единицах и называют углом коммутации у или углом перекрытия.

⇐Разделительные трансформаторы | Электропоезда переменного тока | Внешние характеристики преобразователей установки⇒

Выпрямители: Однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель

 

Существенным недостатком схемы двухполупериодного выпрямления со средней точкой является потребность в двух источниках входного напряжения. Такая потребность обусловлена тем, что один из выводов сопротивления нагрузки периодически переключается между двумя источниками напряжения, а другой вывод постоянно подключен к средней точке этих источников.

Однако необходимость в средней точке отпадет, если и второй вывод нагрузки при помощи второй аналогичной диодной схемы будет синхронно и противофазно подключаться к неиспользуемым на соответствующем интервале времени выводам источников питания. Схемотехническая реализация такого метода представлена на рис. 3.4‑9. Эта схема носит название однофазного мостового выпрямителя и является, вероятно, самой распространенной из всех схем выпрямления, предназначенных для работы с однофазными источниками переменных напряжений.

 

Рис. 3.4-9. Схема однофазного мостового выпрямителя

 

Также как и в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой, в мостовой схеме напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего периода изменения напряжения \(U_{вх}\). При этом его значение при \(U_{вх} = U_{вх1} + U_{вх2}\) в два раза превышает выходное напряжение схемы рис. 3.4-8. Поэтому при одном и том же напряжении нагрузки в мостовой схеме к обратносмещенным диодам прикладывается напряжение в два раза меньшее, чем в схеме рис. 3.4-8 (\(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi \cdot U_{н ср}/2 \) ).

Средние значения тока и напряжения на нагрузке для однофазного мостового двухполупериодного выпрямителя будут такими же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой:

\(U_{н ср} = \cfrac{2 \cdot U_{вх max}}{\pi} = 2 \sqrt{2} \cdot \cfrac{U_{вх д}}{\pi} = {0,637} \cdot U_{вх max} \)

\(I_{н ср} = \cfrac{2 \cdot I_{вх max}}{\pi} = 2 \sqrt{2} \cdot \cfrac{I_{вх д}}{\pi} = {0,637} \cdot I_{вх max} \)

Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в двухполупериодной мостовой схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой: \(K_п = {0,67}\).

Особенностью мостовой схемы является то, что в ней последовательно с нагрузкой все время включено два диода, в то время как в описанных выше однофазной однополупериодной и однофазной двухполупериодной схемах такой диод один. Поэтому при низких входных напряжениях (4…5 В) использование мостовой схемы может оказаться неэффективным (падение напряжения на диодах по величине будет сравнимо с выходным напряжением выпрямителя) — для повышения КПД обычно применяют двухполупериодную схему со средней точкой (возможен также переход к использованию диодов Шоттки с малым падением напряжения при прямом смещении). С повышением напряжения разница в КПД схем уменьшается и определяющим фактором становится величина обратного напряжения, прикладываемого к запертым диодам в процессе работы выпрямителя. Поэтому при больших уровнях выходного напряжения обычно используют выпрямитель выполненный по мостовой схеме.

Если мостовую схему выпрямления использовать совместно с источником, снабженным средней точкой, и средний выход каждой пары диодов соединить со средней точкой входного источника через собственную нагрузку, на выходе выпрямителя получится два равных, но обратных по знаку напряжения (рис. 3.4-10). Такая схема выпрямителя часто используется для питания устройств, построенных с применением операционных усилителей.

 

Рис. 3.4-10. Схема мостового выпрямителя с двумя выходными напряжениями

 

 

< Предыдущая		Следующая >

Однофазная двухполупериодная мостовая схема выпрямления

Мостовая схема (рис. 1.3) состоит из трансформатора и четырех диодов VD1 – VD4. Переменное напряжение u_2ф подводится к одной диагонали моста, а нагрузка r_В,  L_В подключается к другой его диагонали. Диоды VD1, VD2 образуют катодную группу, VD3 – VD4 – анодную. Предполагаем вначале, что нагрузка выпрямителя носит ак­тивный характер (см. рис. 1.3, ключ К замкнут).

В положительный полупериод (0 – θ₁)   напряжения  u_2ф  верхний конец обмотки трансформатора имеет положительную по­лярность, а нижний – отрицательную (без скобок). В соответствии с этим открыва­ются диоды VD1 и VD3, а диоды VD2 и VD4 запира­ются. Ток проходит по пути «а – VD1 – r_В – VD3 – б». В результате, к нагрузке прикладывается положи­тельная полуволна напря­жения u_2ф. В следующий полупериод θ₁ – θ₂ (см. рис. 1.1, б) полярность напря­жения изменяется (см. рис. 1.3, поляр­ность в скобках). При этом диоды VD1, VD3 запираются, а диоды VD2, VD4 оказываются открытыми, и ток нагрузки замыкается по контуру «б – VD2 – r_В  – VD4 – а». Направление тока через нагрузку  r_В  осталось таким же, как и в предыдущий полупериод. Нужно заметить, что ток протекает всегда по двум последовательно со­единенным диодам. Следовательно, падение напряжения в диодах в мостовой схеме в два раз выше, чем в нулевой.

Во вторичной обмотке ток проходит дважды за период в противоположных на­правлениях, поэтому вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора по­стоянным током отсутствует.

Из изложенного принципа работы следует, что точка соединения катодов имеет положительный потенциал выпрямленного напряжения, а точка соединения анодов – отрицательный. Включение индуктивности L_В в цепь нагрузки (см. рис. 1.3, ключ К ра­зомкнут) приводит к изменению формы и расчетных величин токов. Кривые напряже­ний и токов в мостовой схеме при различном характере нагрузки имеют такой же вид, как в нулевой схеме (см. рис. 1.1, б – д). В отличие от нуле­вой схемы (см. рис. 1.1, а) действующие значения тока I₂ вторичной обмотки трансформатора в мостовой схеме для активной и индуктивной нагрузки соответственно равны:

В связи с этим изменяются расчетные значения мощностей S₁, S₂, S_Т Параметры, характеризующие работу мостовой схемы, приведены в таблице 1.1.

В мостовой схеме, возможно одновременно получить два значения выпрямлен­ного напряжения: U_d и U_d/2, если вывести среднюю точку трансформатора (рис. 1.3). Проводя сравнительный анализ рассмотренных однофазных схем выпрямления, нуле­вой и мостовой (см. рис. 1.1,  1.3 и таблицу 1.1), можно сделать следующие выводы:

1. Обе схемы проводят ток в течение обоих полупериодов сетевого напряжения, поэтому они называются двухполупериодными.

2. Кратность пульсаций выпрямленного напряжения по отношению к частоте сети в обеих схемах равна m = 2. Коэффициенты пульсации одинаковы.

3. При одинаковых значениях выходных параметров выпрямителей U_d, I_d ампли­туда обратного напряжения в мостовой схеме в два раза меньше, а число диодов в два раза больше, чем в нулевой схеме. В связи с этим нулевую схему целесообразнее ис­пользовать для управления низковольтными машинами.

4. Использование трансформатора в мостовой схеме эффективнее (примерно на 20 %), чем в нулевой.

5. Мостовая схема может работать без трансформатора, если величина выпрям­ленного напряжения соответствует напряжению сети. Схему с нулевым выводом без трансформатора осуществить невозможно.

6. Остальные параметры обеих схем выпрямления, характеризующие использо­вание диодов по току (k_I), и его реакции на питающую сеть (k_И, k_Г)  одинаковы.

ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНОФАЗНОГО МОСТОВОГО ВЫПРЯМИТЕЛЯ

 

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен Ватт) обычно используют выпрямители, питаемые однофазным напряжением сети. В однофазных выпрямителях используют три основные схемы включения диодов: однофазная однополупериодная схема на одном диоде, однофазные двухполупериодные схемы: схема со средней точкой (нулевая схема) на двух диодах и мостовая схема на четырех диодах.

 

2.1. Принцип действия мостовой схемы выпрямления

Двухполупериодная мостовая схема (рис. 3.1) является основной схемой выпрямления для источников питания постоянного тока.

В рассматриваемой схеме (см. рис. 3.1) выпрямитель состоит из четырёх полупроводниковых диодов, собранных по схеме моста, в одну из диагоналей которого ab подключается напряжение U₂ вторичной обмотки трансформатора, а в другую cd – сопротивление нагрузки R_d. Положительным полюсом нагрузки является общая точка соединения катодов диодов (точка d), отрицательным – точка соединения анодов (точка c).

Рис. 3.1. Двухполупериодная мостовая схема

Действие схемы показано на рис. 3.2, где показаны формы токов и напряжений для идеализированной мостовой схемы в разных ее сечениях. Напряжение и ток вторичной обмотки трансформатора изменяются во времени по гармоническому закону (рис. 3.2а)

;

В положительный полупериод питающего напряжения потенциал точки а положителен, а точки b – отрицателен. Диоды VD1 и VD3 будут включены в прямом направлении и импульс токабудет проходить от положительного зажима вторичной обмотки через диод VD1, нагрузку R_d и через открытый диод VD3 к отрицательному зажиму вторичной обмотки трансформатора (см. рис. 3.1). Форма этого тока будет повторять форму тока i₂ вторичной обмотки трансформатора (рис. 2.7б). Проходя через нагрузку R_d , импульс тока i₁₃ выделяет на ней напряжение u_d(рис. 3.2д), которое без учета потерь напряжения на диодах повторяет форму положительной полуволны напряжения , т. е. имеет амплитуду пульсаций В течение первого полупериода диоды VD2 и VD4 заперты, так как включены в обратном направлении. Эти диоды находятся под воздействием отрицательного обратного напряжения , максимальная величина которого .

При происходит смена полярности напряжения на вторичной обмотке трансформатора, при этом анод диода VD2 подключается к « + », а катод диода VD4 к « – » напряжения (см. рис. 3.1). Теперь в течение второго полупериода под воздействием прямого напряжения будут находиться диоды VD2 и VD4,а диоды VD1 и VD3 заперты обратным напряжением (см. рис. 3.2в).

В цепи вторичной обмотки трансформатора, открытых диодов VD2 и VD4 и нагрузки R_d будет проходить импульс тока, выделяя на нагрузке импульс напряжения , величина и полярность которого такая же как в первом полупериоде (рис. 3.2б). Таким образом, за период преобразуемого напряжения в цепи нагрузки R_d проходят два импульса тока, не меняя своего направления и создавая ток нагрузки i _d, под воздействием которого на нагрузке выделяется напряжение пульсирующего характера (см. рис. 3.2б).

а)

б)

в)

г)

Рис. 3.2. Временные диаграммы для мостовой схемы

 

2.2 Основные параметры мостовой схемы выпрямления

Выпрямленное напряжение содержит постоянную составляющую и бесконечный ряд гармонических составляющих и может быть записано в виде гармонического ряда Фурье:

.

Постоянная составляющая рассчитывается как среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке при работе выпрямителя в режиме холостого хода:

Отсюда можно рассчитать действующее значение напряжения во вторичной обмотке трансформатора:

При расчете выпрямленного тока I_d через нагрузку следует учесть, что при прохождении тока через открытый диод на нем падает напряжение , величина которого указывается в справочниках, поэтому ток в нагрузке определяется выражением:

Действующее значение тока вторичной обмотки связано с током нагрузки соотношением: Основная гармоническая составляющая выпрямленного напряжения определяется выражением:

следовательно частота пульсаций равна удвоенной частоте преобразуемого сетевого напряжения:

Амплитуда основной гармонической составляющей , следовательно коэффициент пульсаций:

.

Чтобы не допустить повреждения диодов при их работе в схемах выпрямления, необходимо учитывать при выборе диодов максимальные значения напряжения и тока во вторичной обмотке трансформатора. Максимальное обратное напряжение на диоде равно напряжению на концах вторичной обмотки. Поэтому для мостовой схемы – . В двухполупериодных схемах выпрямления импульс тока проходит через диод только в течение полупериода, поэтому среднее значение тока, протекающего через диод, в два раза меньше выпрямленного тока : По этим параметрам: прямой ток через диод I_пр = I_a и U_обрmax = U_2m выбирается диод мостовой схемы выпрямления.

 

2.3. Сглаживающие фильтры

Напряжение на выходе любого блока диодов всегда является пульсирующим, содержащим кроме постоянного напряжения ряд синусоидальных составляющих разных частот. В большинстве случаев питание электронных устройств пульсирующим напряжением совершенно неприемлемо. Требования к допустимой величине коэффициента пульсаций зависят от назначения и режима работы устройства. Например, для входных усилительных каскадов коэффициент пульсаций может находиться в пределах . Для питания устройств эти пульсации должны быть снижены до минимального уровня, при котором они не оказывают существенного влияния на работу электротехнических устройств.

С этой целью используются сглаживающие фильтры, которые пропускают на выход только постоянную составляющую выпрямленного напряжения и максимально ослабляют его переменные составляющие. Основными элементами фильтров являются индуктивность (включается последовательно с нагрузкой) и конденсатор (включается параллельно нагрузке). Сглаживающее действие этих элементов связано с тем, что индуктивность представляет большое сопротивление ( ) для токов высокой частоты и малое для токов низкой частоты, а конденсатор – большое сопротивление ( для токов низкой частоты и малое сопротивление для токов высокой частоты.

Эффективность сглаживания пульсаций оценивается коэффициентом сглаживания, который представляет собой отношение коэффициента пульсаций на входе и выходе фильтра

Коэффициент сглаживания показывает, во сколько раз фильтр уменьшает пульсации выпрямленного напряжения.

Наиболее эффективным является емкостный фильтр, при использовании которого сглаживание пульсации выпрямленного напряжения и тока происходит за счет периодической зарядки конденсатора и последующей его разрядки на сопротивление нагрузки R_d.

При большой емкости конденсатора и сопротивления нагрузки R_d разрядка конденсатора протекает во времени практически по линейному закону, а выходное напряжение (рис. 3.2 г) не уменьшается до нуля, а пульсирует в некоторых пределах, увеличивая среднее значение выпрямленного напряжения , которое может достигнуть максимального значения при большой емкости конденсатора.

Для эффективной работы сглаживающего фильтра емкостное сопротивление на частоте основной гармоники должно быть по крайней мере на порядок меньше сопротивления нагрузки :

Отсюда следует, что применение емкостного фильтра более эффективно при высокоомной нагрузке с малыми значениями выпрямленного тока, так как при этом возрастает эффективность сглаживания.

 

2.4. Внешняя характеристика выпрямительного устройства

Внешняя характеристика определяет границы изменения тока нагрузки , при которых выпрямленное напряжение на нагрузке не уменьшается ниже допустимой величины при изменении сопротивления нагрузки . Внешняя характеристика описывается уравнением:

,

где – среднее значение выпрямленного напряжения в режиме холостого хода выпрямителя, – активная составляющая сопротивлений обмоток трансформатора, – падение напряжения на диодах одного плеча выпрямителя. Для мостовой схемы – , – падение напряжения на открытом диоде.

Внешняя характеристика 1 (рис. 3.3) соответствует выпрямителю без фильтра, характеристика 2 – выпрямителю с емкостным фильтром. Напряжение холостого хода для двухполупериодной схемы без фильтра , а при включении емкостного фильтра за счет заряда конденсатора может повысится до максимального значения .

Уменьшение выходного напряжения при увеличении тока нагрузки объясняется падением напряжения на элементах схемы: сопротивлении и диодах. При включении емкостного фильтра дополнительное уменьшение выходного напряжения происходит за счет более быстрого разряда конденсатора на меньшее сопротивление нагрузки .

Рис. 3.3. Внешние характеристики выпрямительного устройства

 

Узнать еще:

Страница не найдена. Рынок Электротехники. Отраслевой портал

]]> You must have JavaScript enabled to use this form. Вход в личный кабинет Контекстная реклама LED светильники от производителя! Профессиональное LED освещение от ТМ RADUGA «Технология Света».До 10 лет службы. Бесплатная замена по гарантии.   УЗИП серии ETHERNET Для защиты оборудования, использующего интерфейс Ethernet. От гроз, электростатических разрядов и др.   Щитовое оборудование CHINT Официальный представитель производителя CHINT. Широкий ассортимент, продукция в наличии.   Силовые автоматические выключатели CHINT Официальный представитель производителя CHINT. Широкий ассортимент, продукция в наличии.   Корпус RS52 — решение для Вас! Цените своё время и беспокоитесь о безопасности при установке электрооборудования? Вам нужен RS52 ТМ «Узола»!

Страница «/upload/file/sprav/sprav14.htm» не найдена.

Поиск по сайту Контекстная реклама Лестничные лотки LESTA IEK® Металлические кабельные лотки высотой: 55, 80, 100, 150 мм. Высокая нагрузка и стойкость к коррозии. Надежная прокладка кабельной трассы.   Автоматические выключатели CHINT Широкий ассортимент электрооборудования и низковольтной аппаратуры удобно приобрести в интернет магазине официального представителя.   Автоматические выкл. ВА88 MASTER IEK Рабочее напряжение до 690 В. Служат для защиты электрических сетей от КЗ, перегрузки, снижений напряжения. Компактные размеры.   H07RN-F медный кабель от производителя Кабели по международному стандарту. Напрямую с завода, доставка по всей России, комплексные заказы.   Надёжное электрощитовое оборудование! Широкий ассортимент, доступные цены и высокое качество. Добро пожаловать на страницы каталога ГК «Узола»!     Свежий номер Рассылка Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку! */ ]]]]>]]>

Однофазный диодный выпрямитель

— обзор

4.7 Явление перекрытия коммутации диодов

На Рис. 4.24 (a) показана силовая цепь трехфазного полумостового выпрямителя, которая будет использоваться для объяснения явления перекрытия коммутации диоды. Перекрытие коммутации — это нежелательная одновременная проводимость двух диодов, которая приводит к короткому замыканию между любыми двумя входными фазами переменного тока. Это явление вызвано индуктивностями входного источника, которые влияют на увеличение и уменьшение скорости нарастания тока, протекающего через каждый диод, при переключении между состояниями прямого и обратного смещения.Это явление короткого замыкания, показанное на рис. 4.24 (a), называется феноменом коммутационного перекрытия. Например, предположим, что диод D ₁ проводит питание нагрузки чистым постоянным током величиной I¯o. В тот момент, когда диод D ₂ становится смещенным в прямом направлении, он начинает проводить ток, подавая ток на нагрузку одновременно с D ₁ . Это вызовет короткое замыкание между двумя входными фазами переменного тока a и b на короткое время μ, пока диод D ₁ не перейдет в состояние блокировки.Это явление возникает каждый раз, когда диод переходит в состояние проводимости, в то время как другой диод переходит в состояние блокировки и все еще проводит. Время короткого замыкания μ зависит от индуктивности входного источника L _S (то есть L _S линии передачи), тока нагрузки и значения входного переменного напряжения источника питания. При анализе явления перекрытия коммутации входное сопротивление R _с считается незначительным. На рис. 4.24 (b) показаны формы сигналов выпрямителя с учетом интервалов перекрытия диодов.

Рисунок 4.24. Углы перекрытия коммутации диодов D ₁ и D ₂ в интервале коммутации от D ₁ до D ₂ .

а) Схема питания трехфазного полуволнового диодного выпрямителя; (b) формы сигналов выпрямителя с учетом явления перекрытия во время коммутации тока.

Угол ωt = 0 ° — начало интервала перекрытия, где v _и = v _bn . За пределами этого угла к выпрямителю прикладывается линейное напряжение v _ba , в результате чего возникает ток короткого замыкания i _sc , который называется током коммутации.Как видно из рис. 4.24 (а), ток короткого замыкания зависит от напряжения v _ba и полного сопротивления цепи. Во время коммутации ток короткого замыкания i _sc протекает через индуктивности двух входных источников L _s . Направление тока короткого замыкания i _sc такое же, как у тока i _D2 , потому что во время конкретной коммутации v _bn > v _и . Следовательно, из рис. 4.24 (a), пренебрегая напряжениями проводимости диодов и сопротивлениями источника переменного тока, во время перекрытия коммутации выполняется следующее уравнение:

(4.153) vbn − van = vba = 6V˜isinωt = 2Lsdiscdt

, где V˜i = действующее значение входного фазного напряжения.

Решение уравнения. (4.153) получается соотношение тока короткого замыкания:

(4.154) isc = ∫6V˜isinωt2Lsdt = −6V˜i2ωLscosωt + C

Применяя начальное условие i _sc (ωt = 0) = 0 (см. Рис. 4.24 (b)) к формуле. (4.154) значение константы C находится:

(4.155) C = 6V˜i2ωLs

Подставляя уравнение. (4.155) в уравнение. (4.154) дает:

(4.156) isc = 6V˜i2ωLs (1 − cosωt)

Интервал перекрытия заканчивается под углом ωt = μ, когда isc = I¯o (см. Рис.4.24 (б)). Следовательно, из уравнения. (4.156) находится значение угла коммутации:

(4.157) I¯o = 6V˜i2ωLs (1 − cosμ)

или

(4.158) μ = cos − 1 (1−2I¯oωLs6V˜i )

Используя уравнение. (4.158) угол перекрытия коммутации μ может быть вычислен, если известны значения входного фазного напряжения, индуктивности входного источника, частоты входного напряжения и выходного тока.

Как видно из Рис. 4.24 (b), выходное напряжение для каждого интервала перекрытия уменьшается на величину, равную площади A.Следовательно, каждый интервал перекрытия снижает среднее выходное напряжение выпрямителя на:

(4,159) V¯μ = AT = 12π∫0μ (vbn − vo) d (ωt) = 12π∫0μvbn − van2d (ωt) = 12π ∫0μvba2d (ωt) = 14π∫0μ6V˜isin (ωt) d (ωt) = 6V˜i4π (−cosωt) | 0μ = 6V˜i4π (−cosμ + cos0 °) = 0,195V˜i (1 − cosμ)

Согласно рис. 4.24 (b), для трехфазного полуволнового диодного выпрямителя имеется три интервала перекрытия за цикл и, следовательно, среднее выходное напряжение будет уменьшено на:

(4,160) В ¯o (потери ) = 3V¯μ = 3 × 0,195V˜i (1 − cosμ) = 0.58 (1-cosμ)

Пример 4.1

Для однофазного полномостового выпрямителя, работающего с чистым выходным током постоянного тока, дается следующая информация:

Входное напряжение = 120 В, действующее значение 60 Гц, нагрузка источника постоянного тока E = 80 В, R = 2 Ом и L = 10 мГн.

Рассчитайте мощность, потребляемую источником постоянного тока E, а также мощность, потребляемую резистором.

Решение

Среднее выходное напряжение V¯o = 22V˜iπ = 22120π = 108V.

Следовательно, средний выходной ток равен I¯o = V¯o − ER = 108−802 = 14A.

Принимая во внимание только две высшие гармонические составляющие первого выходного напряжения, следующие результаты получены из формул. (4.15) и (4.16):

V˜o, 2 = 42V˜i3π2andV˜o, 4 = 42V˜i15π2I˜o, 2 = 42V˜i3π2 | Zo, 2 | и I˜o, 4 = 42V˜i15π2 | Зо, 4 |

Действующее значение выходного тока составляет I˜o≈I¯02 + I˜22 + I˜42

, где

I¯o = 14A

I˜o, 2 = 42V˜i3π2 | Zo, 2 | = 42 × 1203π222 + (2 × 2π × 60 × 0,01) 2 = 6.53A

I˜o, 4 = 42V˜i15π2 | Zo, 4 | = 42 × 12015π242 + (4 × 2π × 60 × 0,01) 2 = 0,65A

Следовательно, I˜o≈ (14) 2+ (6.53) 2+ (0,65) 2 = 15,46 А.

Мощность, потребляемая резистором нагрузки, равна PR = I˜o2R = (15.46) 2 (2) = 478 Вт.

Мощность, потребляемая источником постоянного тока нагрузки, равна PE = I¯oE = (14) (80) = 1120Вт.

Пример 4.2

Для выпрямителя на рисунке ниже, где ωL ≫ R, нарисуйте формы входных и выходных сигналов и вычислите среднее выходное напряжение и ток.

Solution

Для этого трехфазного полуволнового диодного выпрямителя диоды соединены таким образом, что в любой момент диод с самым высоким отрицательным анодным напряжением будет проводить и смещать два других в обратном направлении.На рис. 4.25 показаны основные формы сигналов выпрямителя.

Рисунок 4.25. Формы сигналов выпрямителя.

Используя форму выходного напряжения, среднее выходное напряжение и ток соответственно определяются следующим образом:

V¯o = −12π3∫ − π3π32V˜icosωtd (ωt) = — 32V˜i2π (sinωt) | −π3π3 = −32V˜ i2π (sin (π3) −sin (−π3)) = — 36V˜i2π = −1.17V˜iI¯o = V¯oR = −1.17V˜iR

Пример 4.3

Напряжение на нагрузке и ее ток задаются следующими уравнениями:

vi = 2 [200sinωt + 200sin (2ωt − 30 °)] ii = 2 [20sin (ωt − 45 °) + 10sin (2ωt − 60 °) + 10sin (3ωt + 60 °) ]

Вычислить: P, Q, S, D, λ, THD _v % и THD _i %.

Раствор

V˜i = 2002 + 2002 = 282,84VI˜i = 202 + 102 + 102 = 24,49A

Si = V˜iI˜i = 6926,75 ВА

Пока нет ни напряжения, ни тока синусоидальные формы сигнала:

Pi = ∑1nV˜nI˜ncosφn = V˜1I˜1cosφ1 + V˜2I˜2cosφ2 = 200 × 20 × cos45 ° + 200 × 10 × cos30 ° = 2828,43 + 1732,05 = 4560,48 Вт

Qi = ∑1nV˜nI˜nsinφn = V˜1I˜1sinφ1 + V˜2I˜2sinφ2 = 200 × 20 × sin45 ° + 200 × 10 × sin30 ° = 2828,43 + 1000 = 3828,43VAR

Di = Si2 − Pi2 − Qi2 = ( 6926,75) 2- (4560,48) 2- (3828,43) 2 = 3539,06 ВА Искажение

λ = PiSi = 4560.486926,75 = 0,66

THDv% = Vi, 22Vi, 1 × 100 = 2002200 × 100 = 100%

THDi% = Ii, 22 + Ii, 32Ii, 1 × 100 = 102 + 10220 × 100 = 70,7%

Исследование Уравнение (4.39) коэффициент THD не учитывает серьезность гармоник более низкого порядка и рассматривает все гармоники одинаково. В связи с этим существует еще один коэффициент измерения качества электроэнергии, известный как взвешенное полное гармоническое искажение (WTHD), который используется в оборудовании звуковой системы и выражается следующим образом:

WTHDf% = [∑n = 2,3,4∞ ( Fnn) 2] F ~ 11/2 × 100

Пример 4.4

При подключении электролитического конденсатора к нагрузке однофазного диодного выпрямителя создается выходное напряжение постоянного тока с низкой пульсацией. Проанализируйте схему и рассчитайте емкость этого конденсатора по отношению к требуемой пульсации выходного напряжения.

Solution

На рис. 4.26 показан однофазный полномостовой диодный выпрямитель с конденсатором выходного фильтра и соответствующие формы сигналов. Как видно из рис. 4.26 (b), при подключении конденсатора фильтра к нагрузке сигнал выходного напряжения больше не является двухимпульсным, а имеет тенденцию становиться чистым постоянным током.Пара диодов D ₁ и D ₄ проводит от угла α к θ, а вторая пара D ₂ и D ₃ проводит от α + π к θ + π. Используя осциллограммы на Рис. 4.26 (b), выходное напряжение определяется по формуле:

Рис. 4.26. Выпрямитель с конденсатором выходного фильтра.

а) Силовая цепь; (б) формы сигналов выпрямителя.

(4.161) vo (ωt) = {| 2V˜isinωt | когда пара диодов проводит (2V˜isinθ) e− (ωt − θ) / ωRC, когда диоды не проводят

, где V˜i = действующее значение входного напряжения; Vθ = 2V˜isinθ; θ = угол обратного смещения диодов.

Крутизна выходного напряжения согласно формуле. (4.161) равны:

(4.162) ddωt (2V˜isinωt) = 2V˜icosωtddωt (2V˜isinθe− (ωt − θ) / ωRC) = 2V˜isinθ (−1ωRC) e (ωt − θ) / ωRC

При угле ωt = θ градиенты функций равны, поэтому:

(4.163) 2V˜icosθ = 2V˜isinθ − ωRCe− (θ − θ) / ωRC = 2V˜isinθ − ωRCor2V˜icosθ2V˜isinθ = 1 −ωRCor1tanθ = 1 − ωRCorθ = tan − 1 (−ωRC) = — tan − 1 (ωRC) + π

На практике постоянная времени RC слишком велика (ωRC ≫ π) и, следовательно, из уравнения. (4.163):

(4.164) θ≈π2

Затем, подставляя уравнение. (4.164) в уравнение. (4.161)

(4.165) 2V˜isinθ≈2V˜i

При угле ωt = π + α две компоненты функции выходного напряжения равны, и, следовательно, выполняется следующее уравнение:

(4.166) (2V˜isinθ ) e− (π + α − θ) / ωRC = −2V˜isin (π + α) или (sinθ) e− (π + α − θ) / ωRC − sinα = 0

Применяя численные решения к уравнению. (4.166) можно найти значение угла α.

Согласно осциллограммам на рис. 4.26, размах пульсаций выходного напряжения выпрямителя определяется как:

(4.167) ΔVo = Vo, max − Vo, min = 2V˜i− | 2V˜isin (π + α) | = 2V˜i (1 − sinα)

Что касается рис. 4.26, максимальное значение выходного напряжения составляет 2V˜i и его минимальное значение можно оценить, вычислив выходное напряжение под углом ωt = π + α. Из рис. 4.26 и уравнения. (4.161) мгновенное значение минимального выходного напряжения определяется как:

(4.168) Vo, min = vo (π + α) = 2V˜ie− (π + π / 2 − π / 2) / ωRC = 2V˜ie −π / ωRC

Следовательно, уравнение. (4.167) принимает следующий вид:

(4.169) ΔVo≈2V˜i (1 − e − π / ωRC) = 2V˜i (1 − e − 1 / 2fRC)

Кроме того, поскольку в большинстве приложений значения ω, R и C таковы, что e − π / ωRC≈1 − πωRC, тогда уравнение.(4.169) принимает следующий вид:

(4.170) ΔVo≈2V˜iπωRC = 2V˜i2fRC

Как видно из рис. 4.26 (b), качество входного тока очень низкое из-за конденсатора фильтра, который генерирует импульс тока во время зарядки. Этот импульс тока может вызвать выход из строя выпрямительных диодов. Чтобы сгладить входной ток, вместе с конденсатором можно использовать индуктивность, чтобы сформировать LC-фильтр нижних частот. На рис. 4.27 представлен новый выходной фильтр и полученный входной ток.

Рисунок 4.27. Диодный выпрямитель с выходным LC-фильтром.

а) Силовая цепь; (б) форма входного тока.

Пример 4.5

Для однофазного полномостового диодного выпрямителя с фильтрующим конденсатором, подключенным через нагрузку, приведены следующие характеристики:

Входное среднеквадратичное напряжение = 220 В, 50 Гц, R = 200 Ом, C = 1000 мкФ .

Рассчитайте пульсации выходного напряжения (размах) и требуемый выходной конденсатор, чтобы снизить пульсации до 1% от составляющей постоянного тока.

Решение

Используя вышеуказанные спецификации, были получены следующие результаты:

ωRC = (2π × 50) (200) (1000) (10−6) = 62,8

θ = −tan − 1 (ωRC) + π = −tan − 1 (62,8) + π = 1,58рад = 90,9 °

2V˜isinθ = 2202sin90,9 = 311,09V

Используя уравнение. (4.166) угол α может быть вычислен из следующего уравнения:

sin (1.58) e− (π + α − 1.58) /62.88−sinα=0

Используя численные решения, значение α определяется как α = 72 °.

Используя значение α, амплитуда размаха выходного напряжения составляет:

ΔVo = Vo, max-Vo, min = 2V˜i− | 2V˜isin (π + α) | = 2V˜i (1 −sinα) = 2202 (1 − sin72 °) = 15.22V

Кроме того, размах колебаний выходного напряжения можно найти из следующего уравнения:

ΔVo≈2V˜i2fRC = 22022 × 50 × 200 × 1000 × 10−6 = 15,56V

Для того, чтобы пульсации напряжения должны быть ограничены 1% составляющей постоянного тока, что составляет приблизительно 2202 = 311 В постоянного тока, должно выполняться следующее уравнение:

ΔVo2202 = 0,01≈12fRCorC≈12fR (ΔVo / 2V˜i) = 12 × 50 × 200 × 0,01 = 5000 мкФ

На рис. 4.28 показаны результаты моделирования, когда выходной конденсатор равен 1000 мкФ. Как видно, они полностью согласуются с соответствующими теоретическими.

Рисунок 4.28. Результаты симуляции.

(a) Входное напряжение; (б) выходное напряжение; (c) выходной ток; (d) конденсаторный ток; (e) входной ток; (е) ток перед выходным фильтром.

Пример 4.6

Однофазный двухполупериодный диодный выпрямитель используется для зарядки 12-вольтовой батареи. Внутреннее сопротивление батареи 0,1 Ом. Входное питание 230 В, 50 Гц подается на выпрямитель через силовой трансформатор (идеальный вариант с соотношением витков 20: 1). Рассчитайте максимальную входную активную мощность, потребляемую выпрямителем.

Решение

Iˆo = максимальный выходной ток, протекающий через резистор = Vˆo − ER

Более того,

Vˆo = максимальное выходное напряжение = (Vˆi) (120) = 230220 = 16,3 В

Следовательно,

Iˆo = 16,3−120,1 = 43 максимальная выходная активная мощность = IˆoVˆo = 43 × 16,3 = 701 Вт

Пример 4.7

Трехфазный мостовой диодный выпрямитель имеет следующие характеристики:

Входное линейное напряжение 480 В, 50 Гц, R = 25 Ом, L = 50 мГн . Вычислить:

a)

Среднее выходное напряжение и ток.

b)

Среднеквадратичная основная составляющая выходного тока.

c)

Действующее значение входного тока.

d)

Средний и среднеквадратичный ток диода.

e)

Полная выходная мощность.

Решение

a)

Из уравнения. (4.94) среднее выходное напряжение и ток определяются как:

V¯o = 32V между линиями π = 32 × 480π = 648V

I¯o = V¯oR = 64825 = 25.9A

b)

Как видно из рис. 4.12, первая высшая гармоническая составляющая выходного тока является шестой и ее амплитуда равна:

Iˆo, 6 = Vˆo, 6 | Zo, 6 |

Также, используя уравнение. (4.55) амплитуда шестой гармонической составляющей выходного напряжения равна:

Vˆo, 6 = 62 × 480π (36−1) = 37V

| Zo, 6 | = R2 + (6ωL) 2 = 252 + [6 (314 ) (0,05)] 2 = 97,5 Ом

Iˆo, 6 = 3797,5 = 0,379AI˜o, 6 = 0,3792 = 0,268A

I˜o = I¯o2 + I˜o, 62 + I˜o, 122 + ⋯ ≈ (25,9) 2+ (0,268) 2≈25,9A

в)

I˜i = 23I¯o = 23 × 25.9 = 21.2A

d)

I¯D = I¯o3 = 25.93 = 8.63A, I˜D = I˜o3 = 25.93 = 15A

e)

S = 3V˜inI˜ in = 3 (480) (21,2) = 17,6 кВА

Пример 4.8

Трехфазный полуволновой диодный выпрямитель имеет следующие характеристики:

Входное напряжение 127 В 50 Гц, сопротивление нагрузки 1 Ом и нагрузка индуктивность 100 мГн.

a)

Рассчитайте среднее выходное напряжение и ток.

b)

Если входной источник имеет индуктивность 1 мГн на фазу и средний выходной ток составляет 129 А, рассчитайте угол перекрытия коммутации и среднее выходное напряжение.

Решение

a)

Используя уравнение. (4.89) среднее выходное напряжение:

В¯o = 1,17V˜i = 1,17 × 127 = 148,6В

Следовательно, средний выходной ток равен I¯o = V¯oR = 1481 = 148,6A.

Так как ωL ≫ R, выходной ток считается чистым постоянным током, равным 148 A.

b)

В случае наличия индуктивности входного источника L _с в источнике питания, угол перекрытия коммутации μ определяется как:

μ = cos − 1 (1−2I¯oωLs6V˜i) = cos − 1 (1−2 × 129 × 2π × 50 × 0.0016 (127)) = cos − 1 (0,739) = 42,35 °

Уменьшение среднего выходного напряжения из-за явления перекрытия коммутации составляет:

V¯o (потери) = 0,58V˜i (1 − cosμ) = 0,58 × 127 (1 − cos42,35 °) = 19,22 В

Следовательно, среднее выходное напряжение V¯o = 148,6−19,22 = 129,39 В.

Из-за перекрытия коммутации среднее выходное напряжение снижается на 12,93%.

Пример 4.9

Для однофазного полномостового диодного выпрямителя приведены следующие характеристики: входное напряжение 220 В, 50 Гц, R = 1 Ом и L = 0.1 H.

Рассчитайте коэффициенты RF, FF, σ и λ.

Решение

Из рис. 4.6 (d), где выходное напряжение представляет собой двухимпульсную форму волны, получены следующие результаты:

V¯o = 22V˜iπ = 22 × 220π = 198V, V˜o = V˜i = 220VandI¯o = V¯oR = 1981 = 198A

Кроме того, из частотного спектра выходного напряжения однофазного мостового выпрямителя, показанного на рис. 4.2, с учетом только первых двух высших гармонических составляющих, получены следующие результаты:

V˜o, 2 = 42V˜i3π2 = 42 × 2203π2 = 93.37V, V˜o, 4 = 42V˜i15π2 = 42 × 22015π2 = 18,67V

I˜o, 2 = V˜o, 2 | Zo, 2 | = 42V˜i3π2 | Zo, 2 | = 42 × 2203π2 ( 1) 2+ (2 × 2π × 50 × 0,1) 2 = 1,49A

I˜o, 4 = V˜o, 4 | Zo, 4 | = 42V˜i15π2 | Zo, 4 | = 42 × 22015π2 (1 ) 2+ (4 × 2π × 50 × 0,1) 2 = 0,148A

Следовательно, среднеквадратичное значение выходного тока составляет:

I˜o = I¯o2 + I˜o, 22 + I˜o, 42 = (198 ) 2+ (1,49) 2+ (0,148) 2≈198A

Выходная мощность постоянного и переменного тока соответственно определяется по формуле:

P¯o = V¯oI¯o = (198) (198) = 39204WP˜o = V˜oI˜o = (220) (198) = 43560W

Следовательно, требуемые множители:

RF = V˜RV¯o = V˜o2 − V¯o2V¯o = (220) 2− (198 ) 2198 = 0.48

FF = V˜oV˜R = V˜oV˜o2 − V¯o2 = 220 (220) 2− (198) 2 = 2,29

σ = P¯oP˜o = 3920443560 = 0,9λ = PiSi = P¯oV˜iI˜i = 39204 (220) (198) = 0,9

Пример 4.10

Для однофазного полномостового диодного выпрямителя, когда входной источник имеет индуктивность L _i , а ток нагрузки равен чистый постоянный ток значения I¯o, определить угол перекрытия коммутации.

Решение

Силовая схема для определения угла коммутации показана на рис. 4.29. Кроме того, на рис. 4.30 показаны формы сигналов ключевой цепи во время коммутации.

Рисунок 4.29. Однофазный полномостовой диодный выпрямитель.

а) Силовая цепь; (б) эквивалентная схема при коммутации.

Рисунок 4.30. Схема основных осциллограмм во время коммутации.

Во время коммутации выполняется следующее уравнение:

vi − Lidiidt = 0forπ <ωt≤π + μ

Умножение приведенного выше уравнения на dωt:

vidωt = Lidiidtdωtforπ <ωt≤π + μorvidωt = ωLidiiforπ <ωt≤π +

Путем объединения обеих частей:

∫ππ + μvidωt = ∫I¯o − I¯oωLidiior∫ππ + μ2V˜isinωtd (ωt) = ∫I¯o − I¯oωLidii

2V˜i (cosπ − cos ( π + μ)) = — 2ωLiI¯oor2V˜i (−1 + cosμ) = — 2ωLiI¯o

или

μ = cos − 1 (1−2ωLiI¯o2V˜i)

Время одной коммутации или Интервал перекрытия равен:

Δt = время коммутации = μω = 1ωcos − 1 (1−2ωLiI¯o2V˜i)

Как видно из рис.4.30, выходное напряжение для каждого интервала перекрытия уменьшается на величину, равную площади A. Следовательно, каждый интервал перекрытия снижает среднее выходное напряжение выпрямителя на:

V¯μ = AT = ∫0μvid (ωt) 2π = ∫0μ2V˜isinωtd (ωt) 2π = 2V˜i2π (1 − cosμ)

Поскольку в однофазном полномостовом диодном выпрямителе есть два интервала перекрытия за цикл, среднее выходное напряжение уменьшается на:

В ¯o (потери) = 2V¯μ = 2V˜iπ (1 − cosμ)

Принципиальная схема, типы, работа и применение

Схема выпрямителя используется для преобразования переменного (переменного тока) в постоянный (постоянный ток) .Выпрямители в основном подразделяются на три типа: полуволновые, двухполупериодные и мостовые выпрямители. Основная функция всех этих выпрямителей такая же, как преобразование тока, но они неэффективно преобразовывают ток из переменного в постоянный. Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением и мостовой выпрямитель эффективно преобразуют. Схема мостового выпрямителя — обычная часть электронных источников питания. Для многих электронных схем требуется выпрямленный источник питания постоянного тока для питания различных основных электронных компонентов от доступной сети переменного тока.Мы можем найти этот выпрямитель в широком спектре электронных устройств питания переменного тока, таких как бытовые приборы, контроллеры двигателей, модулирующие устройства, сварочные аппараты и т. Д. В этой статье рассматривается обзор мостового выпрямителя и его работы.

Что такое мостовой выпрямитель?

Мостовой выпрямитель — это преобразователь переменного тока в постоянный ток, который выпрямляет входной переменный ток сети в выход постоянного тока. Мостовые выпрямители широко используются в источниках питания, которые обеспечивают необходимое постоянное напряжение для электронных компонентов или устройств.Они могут быть сконструированы с четырьмя или более диодами или любыми другими управляемыми твердотельными переключателями.

Мостовой выпрямитель

В зависимости от требований к току нагрузки выбирается соответствующий мостовой выпрямитель. Номинальные характеристики и характеристики компонентов, напряжение пробоя, диапазоны температур, номинальный переходный ток, номинальный прямой ток, требования к установке и другие соображения принимаются во внимание при выборе источника питания выпрямителя для соответствующей области применения электронной схемы.

Конструкция

Конструкция мостового выпрямителя показана ниже. Эта схема может быть спроектирована с четырьмя диодами, а именно D1, D2, D3 и D4, а также с нагрузочным резистором (RL). Подключение этих диодов может быть выполнено по схеме с обратной связью для эффективного преобразования переменного (переменного тока) в постоянный (постоянный ток). Основное преимущество такой конструкции — отсутствие эксклюзивного трансформатора с центральным отводом. Таким образом, размер, как и стоимость, уменьшится.

Как только входной сигнал подается на две клеммы, такие как A и B, сигнал постоянного тока o / p может быть получен через RL.Здесь нагрузочный резистор подключен между двумя клеммами, такими как C и D. Расположение двух диодов может быть выполнено таким образом, что электричество будет проводиться двумя диодами в течение каждого полупериода. Пары диодов, такие как D1 и D3, будут проводить электрический ток в течение положительного полупериода. Точно так же диоды D2 и D4 будут проводить электрический ток в течение отрицательного полупериода.

Схема мостового выпрямителя

Основным преимуществом мостового выпрямителя является то, что он выдает почти вдвое большее выходное напряжение, чем в случае двухполупериодного выпрямителя, использующего трансформатор с центральным отводом.Но этой схеме не нужен трансформатор с центральным отводом, поэтому она напоминает недорогой выпрямитель.

Схема мостового выпрямителя состоит из различных каскадов устройств, таких как трансформатор, диодный мост, фильтрация и регуляторы. Как правило, комбинация всех этих блоков называется регулируемым источником постоянного тока, питающим различные электронные устройства.

Первый каскад схемы — это трансформатор понижающего типа, который изменяет амплитуду входного напряжения.В большинстве электронных проектов используется трансформатор 230/12 В для понижения напряжения сети переменного тока с 230 В до 12 В переменного тока. Схема мостового выпрямителя

Следующим этапом является диодно-мостовой выпрямитель, в котором используются четыре или более диодов в зависимости от типа мостового выпрямителя. При выборе конкретного диода или любого другого переключающего устройства для соответствующего выпрямителя необходимо учитывать некоторые особенности устройства, такие как пиковое обратное напряжение (PIV), прямой ток If, номинальное напряжение и т. Д. Оно отвечает за создание однонаправленного или постоянного тока на нагрузке путем проведения набор диодов для каждого полупериода входного сигнала.

Так как выход после диодных мостовых выпрямителей имеет пульсирующий характер, и для его создания как чистого постоянного тока необходима фильтрация. Фильтрация обычно выполняется с одним или несколькими конденсаторами, подключенными к нагрузке, как вы можете видеть на рисунке ниже, где выполняется сглаживание волны. Этот номинал конденсатора также зависит от выходного напряжения.

Последней ступенью этого стабилизированного источника постоянного тока является регулятор напряжения, который поддерживает выходное напряжение на постоянном уровне.Предположим, микроконтроллер работает при 5 В постоянного тока, но выход после мостового выпрямителя составляет около 16 В, поэтому для снижения этого напряжения и поддержания постоянного уровня — независимо от изменений напряжения на входе — необходим регулятор напряжения.

Работа мостового выпрямителя

Как уже говорилось выше, однофазный мостовой выпрямитель состоит из четырех диодов, и эта конфигурация подключается к нагрузке. Чтобы понять принцип работы мостового выпрямителя, мы должны рассмотреть приведенную ниже схему в демонстрационных целях.

Во время положительного полупериода входных диодов переменного тока D1 и D2 смещены в прямом направлении, а D3 и D4 — в обратном. Когда напряжение, превышающее пороговый уровень диодов D1 и D2, начинает проводить — ток нагрузки начинает течь через него, как показано на пути красной линии на диаграмме ниже.

Работа схемы

Во время отрицательного полупериода входного сигнала переменного тока диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а D1 и D2 смещены в обратном направлении. Ток нагрузки начинает течь через диоды D3 и D4, когда эти диоды начинают проводить, как показано на рисунке.

Мы можем заметить, что в обоих случаях направление тока нагрузки одинаково, то есть вверх-вниз, как показано на рисунке — так однонаправлено, что означает постоянный ток. Таким образом, с помощью мостового выпрямителя входной переменный ток преобразуется в постоянный. Выход на нагрузке с этим мостовым выпрямителем имеет пульсирующий характер, но для получения чистого постоянного тока требуется дополнительный фильтр, такой как конденсатор. Такая же операция применима для разных мостовых выпрямителей, но в случае управляемых выпрямителей срабатывание тиристоров необходимо для подачи тока на нагрузку.

Типы мостовых выпрямителей

Двухфазные выпрямители подразделяются на несколько типов в зависимости от следующих факторов: типа источника питания, возможностей управления, конфигураций промежуточных цепей и т. Д. Мостовые выпрямители в основном подразделяются на однофазные и трехфазные. Оба эти типа далее подразделяются на неуправляемые, полууправляемые и полностью управляемые выпрямители. Некоторые из этих типов выпрямителей описаны ниже.

Однофазные и трехфазные выпрямители

Характер питания, т.е.То есть однофазное или трехфазное питание решает эти выпрямители. Однофазный мостовой выпрямитель состоит из четырех диодов для преобразования переменного тока в постоянный, тогда как трехфазный выпрямитель использует шесть диодов, как показано на рисунке. Это могут быть неуправляемые или управляемые выпрямители, в зависимости от компонентов схемы, таких как диоды, тиристоры и т. Д. Однофазные и трехфазные выпрямители

Неуправляемые мостовые выпрямители

В этом мостовом выпрямителе используются диоды для выпрямления входа, как показано на рисунке.Поскольку диод — это однонаправленное устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Такая конфигурация диодов в выпрямителе не позволяет мощности изменяться в зависимости от требований к нагрузке. Таким образом, этот тип выпрямителя используется в постоянных или фиксированных источниках питания.

Неуправляемые мостовые выпрямители

Управляемые мостовые выпрямители

В выпрямителях этого типа, преобразователях переменного / постоянного тока или выпрямителях вместо неуправляемых диодов используются управляемые твердотельные устройства, такие как тиристоры, полевые МОП-транзисторы, IGBT и т. Д.используются для изменения выходной мощности при разных напряжениях. Посредством срабатывания этих устройств в различные моменты времени выходная мощность на нагрузке изменяется соответствующим образом.

Управляемый мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель IC

Мостовой выпрямитель, такой как конфигурация выводов IC RB-156, обсуждается ниже.

Контакт-1 (фаза / линия): Это входной контакт переменного тока, где можно подключить фазный провод от источника переменного тока к этому фазовому контакту.

Контакт 2 (нейтраль): Это контакт входа переменного тока, на котором можно подключить нейтральный провод от источника переменного тока к этому нейтральному контакту.

Контакт 3 (положительный): Это выходной контакт постоянного тока, на котором положительное напряжение постоянного тока выпрямителя получается с этого положительного контакта.

Контакт 4 (отрицательный / заземляющий): Это выходной контакт постоянного тока где напряжение заземления выпрямителя получается с этого отрицательного вывода.

Технические характеристики

Подкатегории этого мостового выпрямителя RB-15 варьируются от RB15 до RB158. Из этих выпрямителей наиболее часто используется RB156.Технические характеристики мостового выпрямителя РБ-156 включают следующее.

• Выходной постоянный ток составляет 1,5 А
• Максимальное пиковое обратное напряжение составляет 800 В
• Выходное напряжение: (√2 × VRMS) — 2 В
• Максимальное входное напряжение составляет 560 В
• Падение напряжения для каждого моста составляет 1 В при 1 А
• Импульсный ток составляет 50 А

Этот RB-156 — наиболее часто используемый компактный, недорогой однофазный мостовой выпрямитель. Эта ИС имеет самое высокое напряжение переменного тока i / p, например 560 В, поэтому ее можно использовать для однофазной сети питания во всех странах.Максимальный постоянный ток этого выпрямителя — 1,5 А. Эта микросхема — лучший выбор в проектах для преобразования переменного тока в постоянный и обеспечивает до 1,5 А.

Характеристики мостового выпрямителя

Характеристики мостового выпрямителя включают следующие:

• Коэффициент пульсаций
• Пиковое обратное напряжение (PIV)
• КПД

Коэффициент пульсаций

Измерение плавности выходного сигнала постоянного тока с использованием коэффициента: называется фактором пульсации.Здесь плавный сигнал постоянного тока можно рассматривать как сигнал постоянного тока o / p, включающий небольшое количество пульсаций, тогда как сигнал постоянного тока с высокой пульсацией можно рассматривать как сигнал постоянного тока с высокой частотой, включающий высокие пульсации. Математически его можно определить как долю пульсационного напряжения и чистого постоянного напряжения.

Для мостового выпрямителя коэффициент пульсаций может быть задан как

Γ = √ (Vrms2 / VDC) -1

Значение коэффициента пульсаций мостового выпрямителя составляет 0,48

PIV (Peak Inverse Voltage)

Пиковое обратное напряжение или PIV может быть определено как максимальное значение напряжения, которое исходит от диода, когда он подключен в состоянии обратного смещения в течение отрицательного полупериода.Мостовая схема включает четыре диода типа D1, D2, D3 и D4.

В положительном полупериоде два диода, такие как D1 и D3, находятся в проводящем положении, тогда как оба диода D2 и D4 находятся в непроводящем положении. Аналогично, в отрицательном полупериоде диоды, подобные D2 и D4, находятся в проводящем положении, тогда как диоды, подобные D1 и D3, находятся в непроводящем положении.

КПД

КПД выпрямителя в основном определяет, насколько правильно выпрямитель преобразует переменный ток (переменный ток) в постоянный (постоянный ток).КПД выпрямителя можно определить как; это соотношение мощности постоянного тока и мощности переменного тока. Максимальный КПД мостового выпрямителя составляет 81,2%.

η = DC o / p Power / AC i / p Power

Форма волны мостового выпрямителя

Из принципиальной схемы мостового выпрямителя мы можем сделать вывод, что ток через нагрузочный резистор одинаков на всем положительном и отрицательном полюсах. отрицательные полупериоды. Полярность сигнала постоянного тока o / p может быть либо полностью положительной, либо отрицательной.В данном случае это абсолютно положительно. Когда направление диода меняется на противоположное, может быть достигнуто полное отрицательное напряжение постоянного тока.

Следовательно, этот выпрямитель позволяет протекать току в течение как положительных, так и отрицательных циклов сигнала переменного тока i / p. Формы выходных сигналов мостового выпрямителя показаны ниже.

Почему он называется мостовым выпрямителем?

По сравнению с другими выпрямителями, это наиболее эффективный тип выпрямительной схемы. Это тип двухполупериодного выпрямителя, как следует из названия, в нем используются четыре диода, которые соединены в виде моста.Поэтому такой выпрямитель называется мостовым выпрямителем.

Почему мы используем 4 диода в мостовом выпрямителе?

В мостовом выпрямителе четыре диода используются для создания схемы, которая обеспечивает двухполупериодное выпрямление без использования трансформатора с центральным отводом. Этот выпрямитель в основном используется для обеспечения двухполупериодного выпрямления в большинстве приложений.

Расположение четырех диодов может быть выполнено в замкнутом контуре для эффективного преобразования переменного тока в постоянный. Основным преимуществом такой схемы является отсутствие трансформатора с центральным отводом, поэтому размер и стоимость будут уменьшены.

Преимущества

К преимуществам мостового выпрямителя можно отнести следующее.

• Эффективность выпрямления двухполупериодного выпрямителя вдвое выше, чем у однополупериодного выпрямителя.
• Более высокое выходное напряжение, более высокая выходная мощность и более высокий коэффициент использования трансформатора в случае двухполупериодного выпрямителя.
• Пульсации напряжения низкие и более высокие частоты, в случае двухполупериодного выпрямителя требуется простая схема фильтрации
• Во вторичной обмотке трансформатора не требуется центральный отвод, поэтому в случае мостового выпрямителя требуется более простой трансформатор .Если повышение или понижение напряжения не требуется, можно даже отказаться от трансформатора.
• Для заданной выходной мощности в случае мостового выпрямителя можно использовать силовой трансформатор меньшего размера, поскольку ток как в первичной, так и во вторичной обмотке трансформатора питания протекает в течение всего цикла переменного тока.
• Эффективность выпрямления вдвое больше по сравнению с однополупериодным выпрямителем
• Использует простые схемы фильтров для высокой частоты и низкого напряжения пульсаций
• TUF выше по сравнению с выпрямителем с центральным отводом
• Трансформатор с центральным ответвлением не нужен

Недостатки

К недостаткам мостового выпрямителя можно отнести следующее.

• Требуется четыре диода.
• Использование двух дополнительных диодов вызывает дополнительное падение напряжения, тем самым уменьшая выходное напряжение.
• Для этого выпрямителя требуется четыре диода, поэтому стоимость выпрямителя будет высокой.
• Схема не подходит, если необходимо выпрямить небольшое напряжение, потому что соединение двух диодов может быть выполнено последовательно и обеспечивает двойное падение напряжения из-за их внутреннего сопротивления.
• Эти схемы очень сложные
• По сравнению с выпрямителем с центральным отводом мостовой выпрямитель имеет большие потери мощности.

Приложение — преобразование переменного тока в постоянный с помощью мостового выпрямителя

Регулируемый источник питания постоянного тока часто требуется для многих электронных приложений. Один из самых надежных и удобных способов — преобразовать имеющийся источник питания переменного тока в источник постоянного тока. Это преобразование сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока выполняется с помощью выпрямителя, который представляет собой систему диодов. Это может быть однополупериодный выпрямитель, который выпрямляет только половину сигнала переменного тока, или двухполупериодный выпрямитель, выпрямляющий оба цикла сигнала переменного тока.Двухполупериодный выпрямитель может быть выпрямителем с центральным отводом, состоящим из двух диодов, или мостовым выпрямителем, состоящим из 4 диодов.

Здесь демонстрируется мостовой выпрямитель. Устройство состоит из 4 диодов, расположенных таким образом, что аноды двух соседних диодов соединены для обеспечения положительного питания на выходе, а катоды двух других соседних диодов соединены для подачи отрицательного питания на выход. Анод и катод двух других соседних диодов подключены к плюсу источника переменного тока, тогда как анод и катод двух других соседних диодов подключены к минусу источника переменного тока.Таким образом, 4 диода расположены в виде моста, так что в каждом полупериоде два чередующихся диода проводят ток, создавая постоянное напряжение с отталкиванием.

Данная схема состоит из мостового выпрямителя, чей нерегулируемый выход постоянного тока подается на электролитический конденсатор через токоограничивающий резистор. Напряжение на конденсаторе контролируется с помощью вольтметра и продолжает увеличиваться по мере заряда конденсатора, пока не будет достигнут предел напряжения. Когда нагрузка подключается к конденсатору, конденсатор разряжается, чтобы обеспечить необходимый входной ток для нагрузки.В этом случае в качестве нагрузки подключается лампа.

A Регулируемый источник питания постоянного тока

Регулируемый источник питания постоянного тока состоит из следующих компонентов:

• Понижающий трансформатор для преобразования переменного тока высокого напряжения в переменный ток низкого напряжения.
• Мостовой выпрямитель для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный ток.
• Схема фильтра, состоящая из конденсатора для удаления пульсаций переменного тока.
• Регулятор IC 7805 для получения регулируемого постоянного напряжения 5 В.

Понижающий трансформатор преобразует сетевое питание переменного тока 230 В в 12 В переменного тока.Это 12 В переменного тока подается на схему мостового выпрямителя, так что чередующиеся диоды проводят каждый полупериод, создавая пульсирующее напряжение постоянного тока, состоящее из пульсаций переменного тока. Конденсатор, подключенный к выходу, позволяет сигналу переменного тока проходить через него и блокирует сигнал постоянного тока, тем самым действуя как фильтр верхних частот. Таким образом, выходной сигнал через конденсатор представляет собой нерегулируемый отфильтрованный сигнал постоянного тока. Этот выход может использоваться для управления электрическими компонентами, такими как реле, двигатели и т. Д. Регулятор IC 7805 подключен к выходу фильтра.Он дает постоянный регулируемый выход 5 В, который можно использовать для ввода многих электронных схем и устройств, таких как транзисторы, микроконтроллеры и т. Д. Здесь 5 В используется для смещения светодиода через резистор.

Это все о теории мостового выпрямителя, его типах, схемах и принципах работы. Мы надеемся, что этот полезный материал по этой теме будет полезен при создании студентами электронных или электрических проектов, а также при наблюдении за различными электронными устройствами или приборами.Благодарим вас за внимание и сосредоточенность на этой статье. Поэтому, пожалуйста, напишите нам для выбора требуемых характеристик компонентов в этом мостовом выпрямителе для вашего приложения и для получения любых других технических рекомендаций.

Теперь мы надеемся, что вы получили представление о концепции мостового выпрямителя и его применениях, если какие-либо дополнительные вопросы по этой теме или концепции электрических и электронных проектов оставьте комментарии в разделе ниже.

Авторы фотографий:

Схема мостового выпрямителя — Основы электроники

В этом уроке речь пойдет только о выпрямителях! Мы изучим основы их работы, а затем построим схему мостового выпрямителя из четырех диодов, которые можно будет использовать в ваших проектах для преобразования переменного тока в постоянный.

В предыдущем уроке мы говорили о диодах и о том, как они работают, чтобы контролировать направление, в котором ток может течь в цепи. Затем мы основывались на этих знаниях, чтобы создать схему зарядного устройства USB, которую можно использовать для питания стандартных USB-устройств путем преобразования 120 В переменного тока (или 220 В переменного тока) в регулируемое 5 В постоянного тока.

Давайте сделаем еще один шаг и расскажем о различных типах выпрямителей и о том, как их можно использовать в своих проектах.

Что такое мостовой выпрямитель?

Согласно определению из учебника, «диодный мост» состоит из четырех диодов в схеме моста , которая обеспечивает одинаковую полярность выхода для любой полярности входа.Другими словами, гребневой выпрямитель преобразует переменный ток (AC) в постоянный (DC). Мостовые выпрямители обычно используются в источниках питания для преобразования сетевого электричества из настенной розетки в электричество постоянного тока, которое может использоваться устройствами бытовой электроники, такими как стереосистема, компьютер или телевизор.

Конечно, это не так-то просто для начинающих. Мы немного разберем это, чтобы действительно понять, что здесь происходит, но прежде, чем мы это сделаем, давайте рассмотрим основные типы выпрямительных схем.

Типы мостовых выпрямителей

Мостовые выпрямители можно разделить на несколько различных типов на основе некоторых простых критериев, но основные категории, которые мы рассмотрим, — это однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители, управляемые выпрямители и неуправляемые выпрямители. Некоторые из этих категорий можно объединить. Например, у вас может быть неуправляемый однофазный выпрямитель.

Однофазные и трехфазные выпрямители

По мере продвижения нашего руководства по мостовым выпрямительным схемам, мы можем разбить большинство выпрямителей на две категории: однофазные и трехфазные.Решение о том, какую схему использовать, так же просто, как определить источник питания. Если вы работаете с однофазными входами (большую часть времени), вы будете использовать однофазный выпрямитель. Во многих промышленных средах обычно используются трехфазные источники питания, и вам необходимо использовать трехфазный выпрямитель.

Независимо от фазы мостовой выпрямитель может быть управляемым или неуправляемым.

Неуправляемые мостовые выпрямители

Неуправляемые мостовые выпрямители — наиболее распространенный тип, который вы найдете в электронике и источниках питания.Они основаны исключительно на диодах и не используют никаких дополнительных компонентов для регулирования напряжения или тока. Эти типы цепей обычно встречаются в фиксированных источниках питания. Проще говоря, входное напряжение не контролируется, поскольку оно проходит на выходную сторону. Если в цепь поступает 12 В, выпрямленное напряжение ~ 12 В выходит из цепи.

Управляемые мостовые выпрямители

В управляемых мостовых выпрямителях диоды заменяются твердотельными компонентами, такими как кремниевые управляемые выпрямители (SCR) или тиристоры.Эти устройства могут изменять выходное напряжение. Это может быть очень удобно для использования в регулируемых источниках питания, которые необходимо адаптировать к различным нагрузкам.

Схема и схема мостового выпрямителя

Создание полезной схемы мостового выпрямителя — это несложно, если вы знаете основы. Чтобы получить все преимущества мостового выпрямителя, вам потребуется добавить несколько дополнительных компонентов. Мы настоятельно рекомендуем ознакомиться с нашим учебным пособием по схеме зарядного устройства USB, поскольку оно охватывает все основы работы этой законченной схемы.

Как работают мостовые выпрямители

Как я уже упоминал в начале этого руководства по мостовым выпрямителям, мы собираемся объяснить, как они на самом деле работают. То, что должен делать каждый любитель электроники. Как упоминалось в видео, вы можете купить мостовые выпрямители, но вам следует хотя бы один раз сделать свои собственные, потому что это фантастическая возможность для обучения!

Чтобы объяснить, как работают мостовые выпрямители, мы сосредоточимся на однофазных выпрямителях, чтобы упростить задачу.Однофазный мостовой выпрямитель работает за счет подключения четырех диодов к нагрузке.

В положительном полупериоде переменного тока диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении (ток течет), целые диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении (ток заблокирован). В отрицательном полупериоде D1 и D2 становятся смещенными в прямом направлении, а D3 и D4 становятся смещенными в обратном направлении, как раз наоборот.

Это означает, что ток в нагрузке всегда течет в одном и том же направлении. Если вы все еще не знаете, как это работает, помните, что диоды пропускают ток только в одном направлении.

СВЯЗАННО: Как работают диоды

Итак, мостовой выпрямитель сам по себе не действительно преобразует переменный ток, как мы выяснили в демонстрационной схеме зарядного устройства USB. Он только преобразует переменный ток в импульс волны постоянного тока (или колебания постоянного тока). Требуются конденсаторы для очистки импульса и создания сигнала, более похожего на постоянный ток. Также неплохо включить в схему стабилизатор напряжения, чтобы навести порядок и поддерживать стабильное напряжение, даже если входное напряжение дрейфует вверх или вниз из-за колебаний в сети.

Итак, теперь вы знаете, как схема мостового выпрямителя может преобразовать переменный ток в постоянный, всего лишь немного тщательно спланировав конструкцию вашей схемы!

Из чего состоит схема мостового выпрямителя?

Введение

Для нормальной работы электрической системы необходим стабильный источник питания. За исключением использования солнечных элементов или химических батарей в определенных особых случаях, постоянный ток большинства цепей преобразуется из переменного тока сети.Мостовой выпрямитель обычно используется для преобразования переменного тока в постоянный, который является наиболее часто используемой схемой, в которой для выпрямления используется однонаправленная проводимость диодов. Существует множество типов мостовых выпрямителей: плоские, круглые, квадратные, скамейки (вставные и SMD, ) и др., Имеющих конструкции GPP и O / J. Максимальный выпрямленный ток составляет от 0,5 до 100 А, а максимальное обратное пиковое напряжение — от 50 до 1600 В.

Что такое мостовой выпрямитель?

Каталог

---

Ⅰ Схема мостового выпрямительного диода

Мостовой выпрямитель использует четыре полупроводниковых диода , соединенных попарно.Когда положительная половина синусоидальной волны входа включается, две лампы включаются, и получается положительный выход; наоборот, когда вводится отрицательная половина синусоидальной волны, две другие лампы включаются. Поскольку две лампы соединены в обратном порядке, на выходе все еще остается положительная часть синусоидальной волны. Кроме того, эффективность использования входной синусоидальной волны мостовым выпрямителем в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя.
Блок выпрямительного моста обычно используется в двухполупериодной схеме выпрямителя и делится на полный мост и полумост.Полный мост состоит из 4 выпрямительных диодов, соединенных в виде двухполупериодной мостовой схемы выпрямителя и собранных как единое целое. Полумост предназначен для соединения половин двух диодных мостовых выпрямителей. Два полумоста могут образовывать схему мостового выпрямителя, а полумост может также образовывать схему двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом трансформатора. При выборе выпрямительного моста необходимо тщательно учитывать схему выпрямителя и рабочее напряжение.
Прямой ток полного моста имеет различные характеристики, такие как 0.5A, 1A, 1.5A, 2A, 2.5A, 3A, 5A, 10A, 20A, 35A, 50A и т. Д. Выдерживаемое напряжение (самое высокое обратное напряжение) составляет 25 В, 50 В, 100 В, 200 В, 300 В, 400 В, 500 В, 600 В, 800 В, 1000 В и т. Д.
В этой главе выпрямительный диод рассматривается как идеальный компонент , то есть его сопротивление прямой проводимости считается равным нулю, а его обратное сопротивление бесконечно из-за удобство анализа схемы выпрямителя . Однако в практических приложениях следует учитывать, что диод имеет внутреннее сопротивление, и выходная амплитуда сигнала, полученная после выпрямления, будет уменьшена на 0.6 ~ 1 В. Когда входное напряжение выпрямительной схемы велико, этой частью падения напряжения можно пренебречь. Напротив, если входное напряжение небольшое, например, если входное напряжение 3 В, то выходное напряжение составляет всего 2 В, и необходимо учитывать влияние прямого падения напряжения на диоде.

Направление тока цепи мостового выпрямителя

Рисунок 1.

В положительном полупериоде u2, D1 и D3 включены, D2 и D4 выключены, и ток возвращается с верхнего конца вторичного TR на нижний конец через D1 → RL → D3 , и на нагрузке RL получается полуволновое выпрямленное напряжение.
В отрицательном полупериоде u2, D1 и D3 выключены, D2 и D4 включены, и ток возвращается от нижнего конца вторичного Tr к верхнему концу вторичного Tr через D2 → RL → D4 , и другая полуволна выпрямленного напряжения получается на нагрузке RL.

Ⅱ Характеристики схемы мостового выпрямителя

(1) Используемое устройство выпрямления в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя.
(2) Направление изменения импульса выпрямленного напряжения такое же, как и при двухполупериодном выпрямлении.
(3) Обратное напряжение, которое несет каждое устройство, является пиковым значением напряжения источника питания.
(4) Коэффициент использования трансформатора выше, чем у двухполупериодной схемы выпрямителя.

Ⅲ Однофазное выпрямление и трехфазное выпрямление

3.1 Схема однофазного мостового выпрямителя

Рисунок 2.

Однофазный мостовой выпрямитель состоит из четырех диодов, соединенных в виде моста.Его недостаток в том, что он использует только половину цикла источника питания, и при этом напряжение выпрямления имеет большие пульсации.
На рисунке 2 (а) выше показано направление тока в схеме однофазного мостового выпрямителя. Сплошная стрелка указывает на ситуацию, когда источник питания переменного тока находится в положительном полупериоде, а пунктирная стрелка указывает на ситуацию, когда источник питания переменного тока находится в отрицательном полупериоде.
Видно, что четыре диода разделены на две части: положительный полупериод и отрицательный полупериод.Однако текущее направление нагрузки не меняется. Это двухполупериодное выпрямление. Кроме того, схема однофазного мостового выпрямителя на практике может быть реализована с помощью интегрального устройства « мостовой стек ».
На рисунке 3. показана диаграмма формы сигнала однофазной мостовой выпрямительной схемы. Согласно диаграмме, среднее напряжение составляет: Uo ≈ 0,9U2 (где U2 — действующее значение выходного напряжения вторичной обмотки трансформатора).

Рисунок 3.Форма волны (однофазная)

3,2 Схема трехфазного мостового выпрямителя

Рисунок 4.

Трехфазная мостовая схема выпрямителя разработана на основе схемы неуправляемого однополупериодного выпрямителя, которая, по сути, представляет собой последовательное соединение набора общего катода и набора общего анода с тремя полупроводниковыми диодами.
Кроме того, трехфазная мостовая схема должна иметь два тиристора, включенных одновременно, один в общей катодной области, а другой в общей анодной области, чтобы сформировать петлю.

Закон анализа цепи
Включается диод с максимальным анодным потенциалом в общей катодной группе.
Включается диод с наименьшим катодным потенциалом в общей анодной группе.

Примеры анализа цепей
Рисунок 5. t1 ~ t2

В группе с обычным катодом потенциал в точке U самый высокий, а V1 включен.
В группе с общим анодом потенциал в точке V самый низкий, а V4 включен.
Напряжение на нагрузке равно линейному напряжению Uuv.

Рисунок 6. t2 ~ t3

В группе с обычным катодом потенциал в точке U самый высокий, а V1 включен.
В группе с общим анодом потенциал в точке W самый низкий, и V6 включен.
Напряжение на нагрузке равно линейному напряжению Uuw.

Рисунок 7. t3 ~ t4

В группе с общим катодом потенциал в точке V самый высокий, а V3 включен.
В общей анодной группе потенциал в точке W самый низкий, а V6 включен.
Напряжение на нагрузке соответствует линейному напряжению Uvw .
…
…

Summery
В полнополупериодном цикле его можно разделить на 6 интервалов, каждый из которых питается от пары фазных проводов к нагрузке.
В полнополупериодном цикле каждый диод включен на одну треть времени (угол проводимости составляет 120 °).
В течение 6 периодов цикла напряжение нагрузки можно рассматривать как периодическое изменение.

Ⅳ Роль мостового выпрямления

1. Преобразуйте переменный ток, генерируемый генератором, в постоянный ток для питания электрического оборудования и зарядки аккумулятора.
2. Ограничьте ток батареи, чтобы течь обратно к генератору, чтобы защитить генератор от сгорания обратным током.

Рисунок 8. Блок-схема мостового выпрямителя переменного тока в постоянный

Ⅴ Схема подключения мостового выпрямителя

Схема мостового выпрямителя устраняет недостатки, связанные с тем, что для двухполупериодной схемы выпрямителя требуется, чтобы вторичная обмотка трансформатора имела центральный отвод, а диод выдерживал большое реверсирование. напряжение, но используются два диода.В связи с быстрым развитием полупроводниковых устройств и низкой стоимостью сегодня этот недостаток не очевиден, поэтому на практике широко используются мостовые выпрямительные схемы.
Следует отметить, что диод в качестве компонента выпрямителя следует выбирать в соответствии с различными методами выпрямления и значениями нагрузки. При неправильном выборе вы не сможете безопасно работать или даже сжечь трубу, что приведет к отходам.

Рисунок 9. Принципиальная схема мостового выпрямителя

Схема мостового выпрямителя также может рассматриваться как разновидность схемы двухполупериодного выпрямителя.Трансформатор подключается к четырем диодам в соответствии со способом, показанным на рисунке 9. D1 ～ D4 — это четыре идентичных выпрямительных диода, соединенных в виде моста, поэтому они называются мостовыми выпрямительными схемами. Используя направляющую функцию диода, вторичный выход может быть направлен на нагрузку даже в отрицательном полупериоде. Из рисунка видно, что D1 и D2 проводят ток через RL сверху вниз в течение положительного полупериода, а D3 и D4 проводят ток через RL сверху вниз в течение отрицательного полупериода.В этой структуре, если на выходе получается такое же постоянное напряжение, вторичной обмотке трансформатора требуется только половина обмотки по сравнению с двухполупериодным выпрямлением. Однако, если необходимо выводить такое же количество тока, диаметр обмотки следует соответственно увеличить.
Потому что выходное напряжение схемы выпрямителя содержит более крупные пульсирующие компоненты. С другой стороны, чтобы максимально уменьшить составляющую пульсации, необходимо максимально поддерживать составляющую постоянного тока, чтобы выходное напряжение было близким к идеальному постоянному току.Это фильтрующая мера. Фильтрация обычно достигается за счет использования эффекта накопления энергии конденсаторов или катушек индуктивности.

Рисунок 10. Схема мостового выпрямителя с конденсатором

В этой экспериментальной схеме используется конденсаторная фильтрация, то есть конденсатор фильтра C подключен параллельно сопротивлению нагрузки RL. Схема показана на рисунке 11, а форма отфильтрованного сигнала показана на рисунке ниже.

Рис. 11. Форма волны двухполупериодного фильтра выпрямления

Постоянная составляющая двухполупериодного выпрямленного выходного напряжения (по сравнению с полуволновым) увеличивается, а пульсации уменьшаются, но трансформатору требуется центральный отвод, который сложно изготовить, а выпрямительный диод должен выдерживать высокое обратное напряжение, поэтому обычно подходит для низкого выходного напряжения.

Рис. 12. Форма волны полуволнового выпрямительного фильтра

Полупериодное выпрямление — это наиболее часто используемая схема, в которой для выпрямления используется однонаправленная проводимость диода.

Ⅵ Разница между мостовым выпрямителем и двухполупериодной схемой выпрямителя

1) Не требуется центральный отвод на вторичной стороне трансформатора схемы мостового выпрямителя, но используйте еще 2 выпрямительных диода.
2) В двухполупериодной схеме выпрямителя используется менее 2 выпрямительных диодов, но вторичная обмотка трансформатора должна иметь центральное ответвление.
3) Обратное выдерживаемое напряжение выпрямительного диода, используемого в двухполупериодной схеме выпрямителя, вдвое больше, чем у мостового выпрямителя.
4) Выпрямление и двухполупериодное выпрямление имеют разные требования к количеству вторичных трансформаторов. Для первого требуется только 1 набор катушек, а для второго — 2 набора.
5) Выпрямление и двухполупериодное выпрямление имеют разные требования к вторичному току трансформатора, первое в два раза больше, чем второе.

Часто задаваемые вопросы о схеме мостового выпрямителя

1.Что делает мостовой выпрямитель?
Мостовой выпрямитель обеспечивает двухполупериодное выпрямление от двухпроводного входа переменного тока, что приводит к снижению стоимости и веса по сравнению с выпрямителем с трехпроводным входом от трансформатора с вторичной обмоткой с центральным отводом. … Диоды также используются в мостовых топологиях вместе с конденсаторами в качестве умножителей напряжения.

2. Как мостовой выпрямитель преобразует переменный ток в постоянный? Мостовые выпрямители
преобразуют переменный ток в постоянный, используя систему диодов, сделанных из полупроводникового материала, либо полуволновым методом, который выпрямляет одно направление переменного сигнала, либо полуволновым методом, который выпрямляет оба направления входного переменного тока.

3. Что происходит при выходе из строя мостового выпрямителя?
Без сглаживания конденсатора, когда 1 диод в мостовом выпрямителе выходит из строя, как напряжение, так и ток уменьшаются. При конденсаторном сглаживании, когда в мостовом выпрямителе выходит из строя 1 диод, напряжение остается довольно постоянным, но увеличивается ток.

4. Почему мы используем 4 диода в мостовом выпрямителе?
Мостовой выпрямитель, состоящий из четырех диодов, обеспечивает двухполупериодное выпрямление без использования трансформатора с центральным ответвлением.Мостовой выпрямитель — это электронный компонент, который широко используется для обеспечения двухполупериодного выпрямления и, возможно, является наиболее широко используемой схемой для этого приложения.

5. Почему мостовой выпрямитель предпочтительнее двухполупериодного выпрямителя?
Мостовой выпрямитель приводится в действие одной обмоткой, которая пропускает ток в обоих циклах нагрузки. … Полная волна лучше моста еще в одном аспекте, то есть выходное напряжение постоянного тока немного выше, чем у моста. Это потому, что он имеет только 1 диодный переход от переменного к постоянному току.

Диодный выпрямитель с индуктивной нагрузкой

Принцип работы

Однофазный диодный выпрямитель преобразует напряжение переменного тока на входе в напряжение постоянного тока на выходе. Поток мощности в цепи является однонаправленным, то есть только от входа переменного тока к выходу постоянного тока. Это полный мостовой выпрямитель, поскольку в нем две пары диодов. Работа схемы зависит от состояния источника напряжения (L _s , R _s и L _d для простоты не учитываются):

• Положительный полупериод: Диоды D ₁ и D ₂ проводят, а диоды D ₃ и D ₄ блокируются.Положительное напряжение сети индуцирует положительное напряжение на сопротивлении нагрузки.
• Отрицательный полупериод: Теперь диоды D ₃ и D ₄ проводят, а диоды D ₁ и D ₂ блокируются. Поскольку через диоды D ₃ и D ₄ протекает положительный ток, напряжение на резисторе снова положительное.

Комбинация четырех диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление входного переменного напряжения со средним постоянным напряжением:

Влияние индукторов

Во время положительного полупериода сетевого напряжения пара диодов D ₁ / D ₂ проводит.Когда напряжение постоянного тока пересекает ноль, обе пары диодов D ₁ / D ₂ и D ₃ / D ₄ проводят ток, поскольку индукторы L _s и L _d пытаются поддерживать ток. Время, в течение которого обе пары диодов проводят ток, называется интервалом коммутации тока . Все четыре диода имеют нулевое прямое напряжение, поэтому во время коммутации тока между двумя парами диодов постоянное напряжение остается нулевым.

Последовательная комбинация L _d и R _d действует как фильтр нижних частот первого порядка, который уменьшает пульсации напряжения на выходе.

Эксперименты

• Измените индуктивность источника со 100 мкГн на 500 мкГн и наблюдайте за увеличением интервала коммутации тока.
• Измените индуктивность нагрузки с 20 мГн на 100 мГн и наблюдайте за уменьшением пульсаций выходного напряжения.

Схема мостового выпрямителя

— Конструктивные особенности и советы »Электроника

Мостовой выпрямитель, состоящий из четырех диодов, обеспечивает двухполупериодное выпрямление без использования трансформатора с отводом от средней точки.

---

Цепи диодного выпрямителя Включают: Цепи диодного выпрямителя
Полупериодный выпрямитель Двухполупериодный выпрямитель Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель Двухполупериодный мостовой выпрямитель Синхронный выпрямитель

---

Мостовой выпрямитель — это электронный компонент, который широко используется для обеспечения двухполупериодного выпрямления и, возможно, является наиболее широко используемой схемой для этого приложения.

Используя четыре диода в мостовом выпрямителе, схема имеет характерный формат, принципиальная схема которого основана на квадрате с одним диодом на каждой ножке.

Учитывая его характеристики и возможности, двухполупериодный мостовой выпрямитель используется во многих линейных источниках питания, импульсных источниках питания и других электронных схемах, где требуется выпрямление.

Типовой мостовой выпрямитель для монтажа на печатной плате

Цепи мостового выпрямителя

Схема основной схемы мостового выпрямителя имеет блок мостового выпрямителя в центре. Он состоит из мостовой схемы с четырьмя диодами. Это могут быть отдельные диоды или мостовые выпрямители в виде единого электронного компонента.

Двухполупериодный выпрямитель с использованием мостового выпрямителя

Мостовой выпрямитель обеспечивает двухполупериодное выпрямление и имеет преимущество перед двухполупериодным выпрямителем, использующим два диода, в том, что в трансформаторе не требуется центральный отвод. Это означает, что для обеих половин цикла используется одна обмотка.

Электронные компоненты

с обмоткой дороги, и наличие центрального отвода означает, что для обеспечения двухполупериодного выпрямления необходимы две идентичные обмотки, каждая из которых обеспечивает полное напряжение.Это удваивает количество витков и увеличивает стоимость трансформатора. Это может быть особенно важно при разработке линейных источников питания или других электронных устройств.

Чтобы увидеть, как работает двухполупериодный выпрямитель с мостовым диодом, полезно увидеть ток, протекающий в течение полного цикла входящей формы волны.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель, показывающий протекание тока

В большинстве приложений источников питания, будь то линейные регуляторы напряжения или импульсные источники питания, выход мостового выпрямителя будет подключен к сглаживающему конденсатору как часть нагрузки.

Эти электронные компоненты принимают заряд во время высоковольтных частей сигнала, а затем отдают заряд на нагрузку при падении напряжения. Таким образом, они обеспечивают более постоянное напряжение, чем прямой выход мостового выпрямителя. Это позволяет другим схемам, таким как линейные регуляторы напряжения и импульсные источники питания, работать правильно.

Примечание по сглаживанию конденсатора источника питания:

Конденсаторы

используются во многих источниках питания как для линейных регуляторов напряжения, так и для импульсных источников питания, чтобы сгладить выпрямленную форму волны, которая в противном случае варьировалась бы от пикового напряжения формы волны до нуля.Сглаживая форму волны, можно запускать из нее электронные схемы.

Подробнее о Конденсаторное сглаживание.

Что касается мостового выпрямителя и его диодов, включение конденсатора означает, что ток, проходящий через диоды, будет иметь значительные пики по мере заряда конденсатора.

Период, в течение которого конденсатор источника питания заряжается

При выборе электронных компонентов для мостового выпрямителя необходимо убедиться, что они могут выдерживать пиковые уровни тока.

Мостовые выпрямители

Компоненты мостового выпрямителя могут быть разных форм. Их можно сделать с помощью дискретных диодов. Кольцо из четырех диодов можно легко изготовить как на бирке, так и в составе печатной платы. Необходимо следить за тем, чтобы диоды достаточно вентилировались, поскольку они могут рассеивать тепло под нагрузкой.

Схема мостового выпрямителя и маркировка

В качестве альтернативы мостовые выпрямители поставляются в виде отдельных электронных компонентов, содержащих четыре диода в едином блоке или корпусе.Четыре соединения выведены и отмечены «+», «-» и «~». Соединение «~» используется для подключения к переменному входу. Соединения + и — очевидны.

Некоторые из этих мостовых выпрямителей предназначены для монтажа на печатной плате и могут иметь провода для монтажа в сквозные отверстия. Другие могут быть устройствами для поверхностного монтажа.

Некоторые мостовые выпрямители заключены в более крупные корпуса и предназначены для установки на радиаторе. Поскольку эти выпрямители предназначены для пропускания значительных уровней тока, они могут рассеивать значительный уровень тепла в результате падения напряжения на диодах, а также внутреннего сопротивления объемного кремния, используемого для диодов.

Рекомендации по проектированию схемы мостового выпрямителя

При использовании мостового выпрямителя для обеспечения выхода постоянного тока от входа переменного тока необходимо учитывать несколько моментов:

• Падение напряжения: Не следует забывать, что ток, протекающий в мостовом выпрямителе, будет проходить через два диода. В результате выходное напряжение упадет на эту величину. Поскольку в большинстве мостовых выпрямителей используются кремниевые диоды, это падение будет минимум 1.2 вольта и будет увеличиваться с увеличением тока. Соответственно, максимальное выходное напряжение, которое может быть достигнуто, составляет минимум 1,2 вольт от пикового напряжения на входе переменного тока.

• Рассчитайте количество тепла, рассеиваемого в выпрямителе: Напряжение на диодах будет падать минимум на 1,2 В (при использовании стандартного кремниевого диода), которое будет расти по мере увеличения тока. Это результат стандартного падения напряжения на диоде, а также сопротивления внутри диода.Обратите внимание, что ток проходит через два диода внутри моста в течение любого полупериода. Сначала один комплект из двух диодов, затем другой.

  Чтобы увидеть падение напряжения для предполагаемого уровня тока, стоит обратиться к паспорту диодов мостового выпрямителя или всего электронного компонента мостового выпрямителя.

  Падение напряжения и ток, протекающий через выпрямитель, вызывают нагрев, который необходимо отводить. В некоторых случаях его можно легко рассеять за счет воздушного охлаждения, но в других случаях мостовой выпрямитель может потребоваться прикрутить болтами к радиатору.Многие мостовые выпрямители для этой цели крепятся болтами к радиатору.

• Пиковое обратное напряжение: Очень важно следить за тем, чтобы максимальное обратное напряжение мостового выпрямителя или отдельных диодов не превышалось, в противном случае диоды могут выйти из строя.

  Рейтинг PIV диодов в мостовом выпрямителе меньше, чем требуется для конфигурации с двумя диодами, используемой с центральным трансформатором с ответвлениями. Если пренебречь падением диода, мостовому выпрямителю требуются диоды с половиной PIV-рейтинга выпрямителя с центральным отводом для того же выходного напряжения.Это может быть еще одним преимуществом использования данной конфигурации.

  Пиковое обратное напряжение на диодах равно пиковому вторичному напряжению V _сек , потому что в течение одного полупериода диоды D1 и D4 являются проводящими, а диоды D2 и D3 имеют обратное смещение.

  Двухполупериодный мостовой выпрямитель с обратным пиковым напряжением

  Предположение, что диоды идеальны, и на них нет падения напряжения — хорошее предположение для этого объяснения. Используя это, можно увидеть, что точки A и B будут иметь такой же потенциал, как и точки C и D.Это означает, что пиковое напряжение трансформатора появится на нагрузке. Такое же напряжение появляется на каждом непроводящем диоде.

Мостовые выпрямители — идеальный способ обеспечить выпрямленный выход на переменном входе. Мостовой выпрямитель обеспечивает двухполупериодный выпрямленный выход, что во многих случаях позволяет достичь лучшей производительности.

Мостовой выпрямитель с разделенным питанием

Для многих схем, таких как операционные усилители, могут потребоваться разделенные источники питания от линейного источника питания.Можно очень легко создать разделенное питание для этих и других приложений, используя двухполупериодный мостовой выпрямитель. Хотя он возвращается к использованию разделенного трансформатора, то есть с центральным ответвлением, может быть стоит получить импульсный или линейный источник питания с комбинацией как отрицательного, так и положительного источников питания с использованием мостового выпрямителя.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель с двойным питанием

Схема работает эффективно и рационально, поскольку обе половины входной волны используются в каждой секции вторичной обмотки трансформатора.

Мостовой выпрямитель с двойным питанием требует использования трансформатора с центральным ответвлением, но в любом случае часто требуется вторая обмотка для обеспечения двойного питания.

Схема двухполупериодного выпрямителя на основе диодного моста работает хорошо и используется в большинстве приложений двухполупериодного выпрямителя. Он использует обе половины формы волны в обмотке трансформатора и, как результат, снижает тепловые потери для данного уровня выходного тока по сравнению с другими решениями.Кроме того, это решение не требует трансформатора с центральным ответвлением (за исключением версии с двумя источниками питания), и в результате снижаются затраты.

Мостовой выпрямитель, вероятно, наиболее известен своим использованием в импульсных источниках питания и линейных источниках питания, но он также используется во многих других схемах.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы».. .

Полноволновая схема выпрямителя — мостовой выпрямитель — Принципиальная схема, конструкция и теория

Двухполупериодный выпрямитель — это схема, которая использует оба полупериода входного переменного тока (AC) и преобразует их в постоянный ток (DC). В нашем руководстве по полупериодному выпрямителю мы видели, что полуволновой выпрямитель использует только половину цикла входного переменного тока. Таким образом, двухполупериодный выпрямитель намного более эффективен (двойной +), чем полуволновой выпрямитель.Этот процесс преобразования обоих полупериодов входного питания (переменного тока) в постоянный ток (DC) называется двухполупериодным выпрямлением.

Двухполупериодный выпрямитель

может быть сконструирован двумя способами. В первом методе используется трансформатор с отводом от центра и 2 диода. Эта конструкция известна как полноволновой выпрямитель с центральным отводом .

Во втором методе используется обычный трансформатор с 4 диодами, расположенными в виде моста. Это устройство известно как мостовой выпрямитель.

Теория полноволнового выпрямителя

Чтобы в совершенстве понять теорию двухполупериодного мостового выпрямителя , вам нужно сначала изучить полуволновой выпрямитель. В руководстве по полуволновому выпрямителю мы четко объяснили основы работы выпрямителя. Кроме того, мы также объяснили теорию , лежащую в основе pn-перехода , и характеристики диода с pn-переходом .

Полноволновой выпрямитель — Работа и эксплуатация

Работа и эксплуатация двухполупериодного мостового выпрямителя довольно проста.Приведенные ниже принципиальные схемы и формы сигналов помогут вам в совершенстве понять принцип работы мостового выпрямителя. На принципиальной схеме 4 диода расположены в виде моста. Вторичная обмотка трансформатора подключена к двум диаметрально противоположным точкам моста в точках A и C. Сопротивление нагрузки R _L подключено к мосту через точки B и D.

Полноволновой мостовой выпрямитель — принципиальная схема с формами входной и выходной волны

В течение первой половины цикла

Во время первого полупериода входного напряжения верхний конец вторичной обмотки трансформатора является положительным по отношению к нижнему концу.Таким образом, в течение первого полупериода диоды D1 и D ₃ смещены в прямом направлении, и ток течет через плечо AB, входит в сопротивление нагрузки R _L и возвращается обратно, протекая через плечо DC. В течение этой половины каждого входного цикла диоды D ₂ и D ₄ смещены в обратном направлении, и ток не может течь в плечах AD и BC. На рисунке выше поток тока обозначен сплошными стрелками. Ниже мы разработали еще одну диаграмму, которая поможет вам быстро понять текущий поток.См. Схему ниже — зеленые стрелки указывают начало протекания тока от источника (вторичной обмотки трансформатора) до сопротивления нагрузки. Красные стрелки указывают обратный путь тока от сопротивления нагрузки к источнику, таким образом замыкая цепь.

Протекание тока в мостовом выпрямителе

Во время второго полупериода

Во время второго полупериода входного напряжения нижний конец вторичной обмотки трансформатора является положительным по отношению к верхнему концу. Таким образом, диоды D ₂ и D ₄ становятся смещенными в прямом направлении, и ток течет через плечо CB, входит в сопротивление нагрузки R _L и возвращается обратно к источнику, протекая через плечо DA.Течение тока показано на рисунке пунктирными стрелками. Таким образом, направление протекания тока через сопротивление нагрузки R _L остается неизменным в течение обоих полупериодов входного напряжения питания. См. Схему ниже — зеленые стрелки указывают начало протекания тока от источника (вторичной обмотки трансформатора) до сопротивления нагрузки. Красные стрелки указывают обратный путь тока от сопротивления нагрузки к источнику, таким образом замыкая цепь.

Путь тока во 2-м полупериоде

Пиковое обратное напряжение двухполупериодного мостового выпрямителя:

Давайте проанализируем пиковое обратное напряжение (PIV) двухполупериодного мостового выпрямителя, используя принципиальную схему.В любой момент, когда вторичное напряжение трансформатора достигает положительного пикового значения Vmax, диоды D1 и D3 будут смещены в прямом направлении (проводящие), а диоды D2 и D4 будут смещены в обратном направлении (непроводящие). Если рассматривать идеальные диоды в мосте, то смещенные в прямом направлении диоды D1 и D3 будут иметь нулевое сопротивление. Это означает, что падение напряжения на проводящих диодах будет нулевым. Это приведет к тому, что все вторичное напряжение трансформатора будет развиваться через сопротивление нагрузки RL.

Таким образом, PIV мостового выпрямителя = Vmax (макс. Вторичное напряжение)

Анализ схемы мостового выпрямителя

Единственная разница в анализе между двухполупериодным и центральным выпрямителем состоит в том, что

1. В схеме мостового выпрямителя два диода проводят в течение каждого полупериода, и прямое сопротивление становится двойным (2R _F ).
2. В схеме мостового выпрямителя Vsmax — это максимальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора, тогда как в выпрямителе с центральным ответвлением Vsmax представляет это максимальное напряжение на каждой половине вторичной обмотки.

Различные параметры объясняются уравнениями ниже:

1. Пиковый ток

Мгновенное значение напряжения, приложенного к выпрямителю, задается как

.

vs = Vsmax Sin wt

Если предполагается, что диод имеет прямое сопротивление R _F Ом и обратное сопротивление, равное бесконечности, ток, протекающий через сопротивление нагрузки, определяется как

i1 = Imax Sin wt и i2 = 0 для первого полупериода

и i1 = 0 и i2 = Imax Sin wt для второго полупериода

Полный ток, протекающий через сопротивление нагрузки R _L , где является суммой токов i1 и i2, задается как

i = i1 + i2 = Imax Sin wt для всего цикла.

Где пиковое значение тока, протекающего через сопротивление нагрузки R _L , задается как

Imax = Vsmax / (2R _F + R _L )

2. Выходной ток

Поскольку ток через сопротивление нагрузки RL в двух половинах цикла переменного тока одинаков, величина od постоянного тока Idc, которая равна среднему значению переменного тока, может быть получена путем интегрирования тока i1 между 0 и pi. или текущий i2 между пи и 2пи.

Выходной ток полноволнового выпрямителя

3. Выходное напряжение постоянного тока

Среднее или постоянное значение напряжения на нагрузке задается как

Выходное напряжение постоянного тока полнополупериодного выпрямителя

4. Среднеквадратичное значение тока

RMS или действующее значение тока, протекающего через сопротивление нагрузки R _L дается как

Среднеквадратичное значение тока полнополупериодного выпрямителя

5. Среднеквадратичное значение выходного напряжения

Действующее значение напряжения на нагрузке равно

. Действующее значение выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя

6.Эффективность выпрямления

Мощность, передаваемая на нагрузку,

Эффективность выпрямления полноволнового выпрямителя

7. Коэффициент пульсации

Форм-фактор выпрямленного выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя равен

. Коэффициент пульсаций полноволнового выпрямителя

Итак, коэффициент пульсаций γ = 1,11 ² — 1) = 0,482

8. Постановление

Выходное напряжение постоянного тока определяется как

. Регулировка полнополупериодного выпрямителя

Достоинства и недостатки двухполупериодного выпрямителя над полуволновым выпрямителем

Достоинства — позвольте нам сначала поговорить о преимуществах двухполупериодного мостового выпрямителя перед полуволновой версией.На данный момент я могу выделить 4 конкретных достоинства.

• Для двухполупериодного мостового выпрямителя КПД увеличен вдвое. Причина в том, что полуволновой выпрямитель использует только половину входного сигнала. Мостовой выпрямитель использует обе половины и, следовательно, имеет двойной КПД
• Остаточные пульсации переменного тока (до фильтрации) очень низкие на выходе мостового выпрямителя. Такой же процент пульсаций очень высок у полуволнового выпрямителя. Достаточно простого фильтра, чтобы получить постоянное напряжение от мостового выпрямителя.
• Мы знаем, что эффективность моста FW вдвое выше, чем у выпрямителя HW. Это означает более высокое выходное напряжение, более высокий коэффициент использования трансформатора (TUF) и более высокую выходную мощность.

Недостатки — Двухполупериодный выпрямитель требует большего количества элементов схемы и является более дорогим.

Достоинства и недостатки мостового выпрямителя над выпрямителем с центральным отводом.

Выпрямитель с центральным ответвлением всегда сложно реализовать из-за использования специального трансформатора. Трансформатор с центральным ответвлением также является дорогостоящим.Одно из ключевых различий между центральным отводом и мостовым выпрямителем заключается в количестве диодов, задействованных в конструкции. Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением требует всего 2 диода, тогда как мостовой выпрямитель требует 4 диода. Но кремниевые диоды дешевле, чем трансформатор с центральным ответвлением, поэтому мостовой выпрямитель является более предпочтительным решением в источниках питания постоянного тока. Ниже приведены преимущества мостового выпрямителя по сравнению с выпрямителем с центральным отводом.

• Мостовой выпрямитель может быть сконструирован с трансформатором или без него.Если задействован трансформатор, с этим справится любой обычный понижающий / повышающий трансформатор. Эта роскошь недоступна для выпрямителя с центральным отводом. Здесь конструкция выпрямителя зависит от трансформатора с центральным ответвлением, который не подлежит замене.
• Мостовой выпрямитель подходит для высоковольтных систем. Причина в высоком пиковом обратном напряжении (PIV) мостового выпрямителя по сравнению с PIV выпрямителя с центральным ответвлением.
• Коэффициент использования трансформатора (TUF) выше для мостового выпрямителя.

Недостатки мостового выпрямителя над выпрямителем с центральным ответвлением

Существенным недостатком мостового выпрямителя над центральным ответвлением является использование 4 диодов в конструкции мостового выпрямителя. В мостовом выпрямителе 2 диода проводят одновременно на полупериоде входного сигнала. Выпрямитель с центральным ответвлением имеет только 1 диод, проводящий за половину цикла. Это увеличивает чистое падение напряжения на диодах в мостовом выпрямителе (оно вдвое превышает значение центрального отвода).

Применение двухполупериодного мостового выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель находит применение в источниках питания постоянного напряжения постоянного тока, особенно в источниках питания общего назначения. Мостовой выпрямитель с эффективным фильтром идеально подходит для любого типа общих источников питания, таких как зарядка аккумулятора, питание устройства постоянного тока (например, двигателя, светодиода и т. Д.) И т. Д. Однако для аудиоприложения общий источник питания может не подходить. достаточно. Это связано с остаточным коэффициентом пульсаций в мостовом выпрямителе.Есть ограничения на фильтрацию ряби. Для аудиоприложений могут быть идеальными специально сконструированные блоки питания (использующие регуляторы IC).

Полноволновой мостовой выпрямитель с конденсаторным фильтром

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя непостоянно, оно всегда пульсирует. Но это не может быть использовано в реальных приложениях. Другими словами, нам нужен источник постоянного тока с постоянным выходным напряжением. Чтобы добиться плавного и постоянного напряжения, используется фильтр с конденсатором или катушкой индуктивности.На схеме ниже показан полуволновой выпрямитель с конденсаторным фильтром.