Что такое двухполупериодный выпрямитель
Двухполупериодный выпрямитель
Двухполупериодный выпрямитель — устройство или контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Двухполупериодный выпрямитель состоит из трансформатора с центральным отводом вторичной обмотки, двух диодов и сопротивления нагрузки.
Схема двухполупериодного выпрямителя
Принцип действия двухполупериодного выпрямителя
В течение первой половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки положителен, а нижний конец вторичной обмотки отрицателен. Диод D1 находится в состоянии прямого подключения, а диод D2 находится в состоянии обратного подключения, поскольку средняя точка отрицательна относительно положительной стороны вторичной обмотки и положительна относительно отрицательной стороны вторичной обмотки. Ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D1 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL представляет собой положительную полуволну.
Путь тока через двухполупериодный выпрямитель: D1 находится в состоянии прямого подключения
В течение второй половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки отрицателен, а нижний конец вторичной обмотки положителен. Диод D1 находится в состоянии обратного подключения, а диод D2 находится в состоянии прямого подключения. Как изображено на рисунке 3-7, ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D2 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL снова представляет собой положительную полуволну.
Путь тока в двухполупериодном выпрямителе: D2 находится в состоянии прямого подключения
Поскольку ток протекает через сопротивление RL в одном и том же направлении в течение обеих половин цикла входного напряжения, через RL проходят две полуволны в течение каждого полного цикла. Тем не менее, поскольку у этого трансформатора есть средняя точка, падение напряжения на сопротивлении нагрузки представляет собой лишь
половину того, что могло бы быть, если бы нагрузка была соединена ко всей вторичной обмотке. 
Форма кривой выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя
Варианты схем двухполупериодных выпрямителей
Практически все электронные приборы работают от постоянного тока. Такой подход значительно снижает количество применяемых электронных компонентов, размер схемы и затраты на производство прибора.
Для преобразования переменного электрического напряжения в постоянное используются выпрямители. Статья даст подробное объяснение, что такое двухполупериодные выпрямители. Опишет их принцип работы, разновидности, основные преимущества и недостатки.
Назначение
Основное назначение однофазного двухполупериодного выпрямителя – это преобразование переменного тока в постоянный. Для того чтобы понять принцип действия такого выпрямителя, необходимо разобраться, что такое однополупериодное выпрямление.
Однополупериодный выпрямитель представляет собой устройство, которое состоит из трансформатора и одного диода (вентиля), подключенного ко вторичной обмотке трансформатора. Работает устройство следующим образом:
Таким образом по цепи пропускается только ток с высокой пульсацией. Для того чтобы сгладить этот эффект, схема дополняется конденсатором с высокой емкостью. Основной недостаток такой схемы – большая потеря тока и необходимость использования мощных сглаживающих конденсаторов. Подобное устройство применяется, например, для зарядных блоков мобильных телефонов.
Двухполупериодный однофазный выпрямитель построен примерно по схожей схеме. Главное отличие заключается в добавлении 2-х и более полупроводниковых диодов для сглаживания обоих полупериодов. Существуют следующие разновидности подобных элементов:
Каждое устройство использует различное количество преобразователей, а значит имеет различный принцип работы.
Схема со средней точкой
Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой предполагает наличие трансформатора с двумя вторичными обмотками, имеющими центральный вывод. Так же может использоваться трансформатор с одной вторичной обмоткой, но он будет обязательно иметь вывод из центра обмотки. Кроме того в составе схемы имеются 2 диода. Выпрямитель с нулевым выводом работает за счет образования разных по направленности ЭДС. Обе эти ЭДС равны по величине сформированного напряжения относительно центра или 0 точки. При работе такого трансформатора, ток на обоих полуобмотках сдвинут по фазе на 180 градусов.
Принцип работы данного выпрямителя следующий:
Двухполупериодная схема с нулевой точкой работает за счет отсутствия момента подмагничивания. Каждая половина вторичной обмотки работает в свой полупериод, а значит трансформатор находится в состоянии постоянной нагрузки.
Плюсы
У схемы с нулевым выходом есть преимущества только перед моделью однопериодного выпрямителя. Основные достоинства такой схемы:
Несмотря на ряд преимуществ, однофазные выпрямители с двумя диодами имеют свои недостатки, о которых будет рассказано ниже.
Минусы
Для работы такой сцепи обязательно необходим специальный трансформатор с 2 вторичными обмотками или одной разделенной, с нулевым выходом. Такие устройства сильно повышают затраты на производство высоковольтных, мощных приборов.
Также большим минусом является нагрузка обратным током. В схеме должны быть использованы диоды с номинальным напряжением до 1000 вольт и возможностью выдерживать температуру до +80 градусов. Если эти параметры не соблюдаются, то при закрытии диода будет формироваться повышенная температура и сопротивление. Превышения параметров приведет к пробою самого диода.
Следующим минусом является использование самого нулевого отвода. Подключение к нему предполагает только использования части доступной энергии, что сильно снижает потенциал таких устройств.
Диодный мост
Второй разновидностью является двухполупериодный мостовой выпрямитель. Данная модель наиболее распространена в цепях бытовых и промышленных электронных приборов. Состав электронного элемента:
Работает устройство по мостовой схеме следующим образом:
При такой работе остается эффект пульсации тока. Его сглаживают с помощью емкостного конденсатора.
Преимущества
Двухполупериодное мостовое выпрямление имеет одно неоспоримое преимущество перед схемами с меньшим количеством диодов. Оно заключается в величинах обратного выпрямленного тока и напряжения. Эти величины превышают те же параметры в других схемах в 2 и более раз. Тем самым, мостовая схема имеет значительно большее КПД.
Минусы
Недостатки диодного моста также заключены в количестве диодов. Каждые из 4 диодов сохраняют в закрытом положении величину обратного напряжения, которое равняется напряжению в однополупериодном выпрямителе. Тем самым, 4 диода не способствуют уменьшению нагрузки обратного тока на вторичную обмотку.
Несмотря на недостатки, схема мостового выпрямителя более распространенная. Она может монтироваться в качестве 4 диодов или в сборке. Сборка выглядит более практичным вариантом. Она занимает меньше места на печатной плате.
Сглаживание
Однофазный электрический двухполупериодный выпрямитель, независимо от того, сколько диодов он совмещает, требует дополнительного сглаживания выходного напряжения. Пульсация сильно влияет на работу самого устройства, для которого собран такой выпрямитель. Для сглаживания пульсации тока схема выпрямления дополняется фильтрами. Они могут быть собраны из:
При проектировании диодных выпрямителей учитывается нагрузка последующих элементов цепи. Так, если сопротивление после выпрямителя значительно малое, то использование емкостного фильтра нецелесообразно. При малой нагрузке потребуется более емкостный конденсатор. Таким образом для подобных схем с малым сопротивлением, более рационально использовать индуктивный фильтр.
Расчет значения диодов
Диоды в двухполупериодных выпрямителях должны выдерживать нагрузку переменным током, нагревом, обратным напряжением. При подборе диода необходимо учесть:
Также стоит учитывать материал, который используется в качестве полупроводника. Кремневые элементы более устойчивы к нагрузке обратным током и способны работать при температуре до +150 градусов. Германиевые менее устойчивы, их устойчивость к обратному напряжению составляет около 400 вольт.
Заключение
Однофазная схема двухполупериодного выпрямителя используется практически во всех современных приборах. Такие элементы более дешевые, устойчивые к нагрузкам, позволяют применять диодные сборки, уменьшая при этом общий размер цепи. Так же такие схемы легко проектировать, ремонтировать и дополнять самостоятельно, зная только принцип работы этих устройств.
Видео по теме
Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Принцип действия, схема, расчет
Существует еще одна, более популярная конструкция двухполупериодного выпрямителя, построенная на основе конфигурации с четырьмя диодами. Такая конструкция известна как двухполупериодный мостовой выпрямитель или просто мостовой выпрямитель.
Преимущество этого типа выпрямителя по сравнению с версией выпрямителя с центральным отводом заключается в том, что для него не требуется сетевой трансформатор с центральным отводом во вторичной обмотке, что резко снижает его размер и стоимость.
Также эта конструкция использует полностью все вторичное напряжение в качестве входного. Используя тот же трансформатор, мы получаем вдвое больше пикового напряжения и вдвое больше постоянного напряжения с мостовым выпрямителем, чем с двухполупериодным выпрямителем с центральным отводом. Именно поэтому мостовые выпрямители используются гораздо чаще, чем двухполупериодные со средней точкой.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель
Чтобы выпрямить оба полупериода синусоидальной волны, как мы уже говорили ранее, в мостовом выпрямителе используются четыре диода, соединенных вместе в конфигурации «моста». Вторичная обмотка трансформатора подключена с одной стороны диодного моста, а нагрузка — с другой.
На следующем рисунке показана схема мостового выпрямителя.
Во время положительного полупериода переменного напряжения диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, в то время как диоды D3 и D4 смещены в обратном направлении. Это создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе (обратите внимание на плюс-минус полярности на нагрузочном резисторе).
В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а диоды D1 и D2 — в обратном. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.
Обратите внимание, что независимо от полярности напряжения на входе, полярность на нагрузке постоянная, а ток в нагрузке течет в одном направлении. Таким образом, схема преобразует входное переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение.
Если вам трудно запомнить правильное расположение диодов в схеме мостового выпрямителя, вы можете обратиться к альтернативному представлению схемы. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды расположены горизонтально и направлены в одном направлении.
Значение постоянного напряжение выходного сигнала
Здесь формула для расчета среднего значения напряжения такая же, как и для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:
Это уравнение говорит нам, что значение постоянного напряжения составляет около 63,6 процента от пикового значения. Например, если пиковое переменное напряжение составляет 10 В, то постоянное напряжение будет 6,36 В.
Когда вы измеряете напряжение на выходе мостового выпрямителя с помощью вольтметра, показание будет равно среднему значению.
Аппроксимация второго порядка
В действительности мы не получаем идеальное напряжение на нагрузочном резисторе. Из-за потенциального барьера, диоды не включаются, пока источник напряжение не достигнет около 0,7 В.
И поскольку в мостовом выпрямителе работают по два диода за раз, то падение напряжения составит 0,7 x 2 = 1,4 В. Таким образом, пиковое выходное напряжение определяется следующим образом:
Выходная частота
Полноволновой выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого у такого выпрямителя на выходе в два раза больше циклов, чем на входе. Поэтому частота полноволнового сигнала в два раза превышает входную частоту.
Например, если частота на входе составляет 50 Гц, выходная частота будет 100 Гц.
Фильтрация постоянного напряжения
Сигнал на выходе, который мы получаем от двухполупериодного мостового выпрямителя, является по сути пульсирующим постоянным напряжением, которое вырастает до максимума, а затем снижается до нуля.
Для того чтобы избавиться от пульсаций, нам необходимо отфильтровать двухволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить сглаживающий конденсатор.
Первоначально конденсатор разряжен. На протяжении первой четверти цикла диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении и из-за этого сглаживающий конденсатор начинает заряжаться. Процесс заряда длится до тех пор, пока напряжение с мостового выпрямителя не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.
После того, как напряжение с выпрямителя достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только напряжение снизиться ниже Vp соответствующая пара диодов (D1 и D2) не будет проводить.
Когда диоды выключены, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, конденсатор заряжается уже через диоды D3 и D4 до пикового значения.
Недостатки мостового выпрямителя
Единственным недостатком мостового выпрямителя является то, что выходное напряжение меньше, чем входное напряжение на 1,4 В, в результате падения на двух диодах.
Этот недостаток ощутим только в источниках питания с очень низким напряжением. Например, если пиковое напряжение источника составляет всего 5 В, то напряжение нагрузки будет иметь только 3,6 В.
Но если пиковое напряжение источника составляет 100 В, напряжение нагрузки будет близко к идеальному двухполупериодному напряжению и влияние падения на диодах будет не значительным.
Типы выпрямителей переменного тока
Какие бывают выпрямители?
Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.
Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.
Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.
Однополупериодный выпрямитель.
Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.
Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.
Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.
К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.
Двухполупериодные выпрямители.
Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.
Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.
Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.
Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.
Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.
Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.
Выпрямитель с удвоением напряжения.
Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)
Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.
Умножитель напряжения.
Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.
На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.
Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.
Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.
Трёхфазные выпрямители.
Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.
Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.
Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.
В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.
Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.
Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».