Выпрямитель со средней точкой трансформатора: Трансформаторы, выпрямители, фильтры – RadioRadar

Трансформаторные источники питания 2

Трансформаторные источники питания часть 1.

Таблица осциллограмм выпрямителей различного типа и с различной нагрузкой

Из представленных в табл. 2.1 схем выпрямителей наиболее неудачной следует считать самую простую из них – однополупериодную. Она характеризуется наименьшим коэффициентом использования трансформатора и высоким коэффициентом пульсаций.

Кроме того, постоянная составляющая тока вторичной обмотки создает дополнительный магнитный поток, насыщающий сердечник трансформатора. В итоге возрастает ток холостого хода, следовательно, необходимо увеличивать сечение провода первичной обмотки. В результате такой «экономии» возрастают габариты и масса силового трансформатора, снижается КПД устройства. В этой связи однополупериодные выпрямители используют довольно редко, для создания маломощных выпрямителей.

Следующим в таблице 2.1 представлен двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Среднее значение выпрямленного тока и напряжения в нем в два раза выше, чем в простейшем выпрямителе.

В трансформаторе этого устройства нет вынужденного намагничивания, поскольку в его вторичных полуобмотках постоянные составляющие тока протекают в различных (взаимокомпенсирующих) направлениях.

Еще большие перспективы открываются при использовании мостовых выпрямителей (схема Греца). Вынужденного намагничивания сердечника трансформатора нет, ток в первичной обмотке трансформатора синусоидален. Заметным недостатком такого способа выпрямления является удвоение потерь на диодах в «прямом» направлении. Особенно это заметно при малых выходных напряжениях.

Для сравнения в таблице 2.1 показан и выпрямитель с удвоением выходного напряжения (схема Латура).

Для получения на выходе не одного, а сразу двух напряжений может быть использована одна из схем выпрямителей, показанных на рис. 2.5 или 2.6. В первом варианте на выходе получаются два напряжения одной полярности, отличающихся по величине в 2 раза. Верхняя половина схемы представляет собой с первого взгляда обычный мостовой выпрямитель.

Однако средний вывод вторичной обмотки этого устройства не заземлен, напряжение на нем равно половине напряжения, снимаемого с выхода мостового выпрямителя. Это напряжение формируется в результате работы второго выпрямителя, образованного двумя левыми по схеме диодами мостовой схемы, и полуобмотками трансформатора Т1. Интересно, что при изменении тока нагрузки соотношение выходных напряжений двухканального источника питания (рис. 2.5) остается неизменным и равным 1:2.

Сопоставление характеристик различных типов выпрямителей при варьировании сопротивления нагрузки и емкости конденсатора фильтра.

Во втором случае (рис. 2.6) на выходе выпрямителя получаются два одинаковых напряжения, но имеющие разные полярности.

Рис. 2.5 Схема двухканального источника питания с выходными напряжениями Е и Е/2

Рис. 2.6 Схема двухканального источника питания с равными и разнополярными выходными напряжениями

Для того чтобы при сетевом питании получить на выходе источника питания нестабилизированное напряжение переменного или постоянного (с использованием выпрямителя) тока, можно воспользоваться трансформатором с секционированной вторичной обмоткой (рис. 2.7). Он позволяет получить на выходе любое ступенчато изменяемое напряжение переменного тока в диапазоне от 1 до 255 В с шагом в 1 В. Такая особенность объясняется тем, что вторичная обмотка трансформатора разбита на 9 секций, число витков которых, и, следовательно, величина выходного напряжения соотносится как 1:2:4:8:16…

При переключении переключателей SA1 – SА8 (при отключенной нагрузке) может быть получена любая “конфигурация” вторичной обмотки трансформатора, любой заданный пользователем коэффициент трансформации. Условием правильной работы трансформатора является согласное (не встречное!) соединение секций.

Устройство удобно объединить со стабилизатором напряжения переменного тока, например, феррорезонансного типа. Недостатком трансформатора является то, что в обмотках из провода равного сечения максимальный ток нагрузки вне зависимости от величины выходного напряжения одинаков. Использование проводов разного сечения заметно усложняет конструкцию трансформатора.

Рис. 2.7 Схема трансформатора со ступенчато регулируемым выходным напряжением 1…255 В

Другой способ получить на выходе трансформатора ряд напряжений состоит в том, что вторичную (или первичную) обмотку трансформатора выполняют с множеством отводов, так, как это сделано, например, в сетевом адаптере промышленного производства (рис. 2.8).

Рис. 2.7 Схема трансформатора со ступенчато регулируемым выходным напряжением 1…255 В

Адаптер (рис. 2.8) является простейшим источником питания и позволяет получить на выходе ряд нестабилизированных напряжений, изменяемых ступенчато при помощи переключателя SА1. Полярность выходного напряжения изменяется переключателем SА2. Для индикации работы адаптера использован светодиодный индикатор НL1. Такой источник мало пригоден для питания радиоприемников и плейеров, поскольку на его выходе очень заметны пульсации напряжения, которые трудно уменьшить одним конденсатором фильтра С1 даже при заметном увеличении его емкости.

Выпрямители

 

4. 3. Выпрямители

 

Из курса физики Вам известно, что выпрямитель представляет собой прибор, преобразующий переменный по величине и направлению ток в ток одного направления. Выпрямители относятся к вторичным источникам электропитания.

Простейший выпрямитель переменного тока состоит из трансформатора и полупроводникового диода (рис. 4.11 а). Для простоты будем считать трансформатор и диод идеальными, то есть у трансформатора активное сопротивление обмоток равно нулю, прямое сопротивление диода также равно нулю, а обратное сопротивление диода равно бесконечности (обратным током можно пренебречь).

На вход выпрямителя со вторичной обмотки трансформатора подается синусоидальное напряжение (рис. 4.11 б). В первый полупериод, когда на верхней (по схеме) точке обмотки положительный потенциал относительно нижней точки, диод открыт и через нагрузочный резистор протекает ток. Во второй полупериод (полярность напряжения указана в скобках) диод закрыт и ток в резисторе отсутствует. Таким образом, выходное напряжение (оно снимается с нагрузочного резистора) имеет форму половинок синусоиды (рис.

4.11в). Оно называется пульсирующим.

Рассмотренный выпрямитель называется однополупериодным, поскольку в нем используются только половины каждого из периодов сетевого напряжения. Схема однополупериодного выпрямителя в практике применяется очень редко, поскольку получается большой коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения (по сравнению с двухполупериодным выпрямителем при одинаковых сопротивлениях нагрузки).

В практике применяются двухполупериодные выпрямители. Они бывают мостовыми и с выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора. В двухполупериодных выпрямителях используются оба полупериода напряжения сети, поэтому они являются более эффективными, чем однополупериодные.

Рассмотрим работу двухполупериодного выпрямителя с двумя диодами и выводом от средней точки вторичной обмотки трансформатора (рис.

4.12а). Его можно рассматривать как совокупность двух однополупериодных выпрямителей, к которым подсоединен один и тот же резистор нагрузки.

Пусть в первый полупериод на верхней (по схеме) точке обмотки трансформатора оказался положительный потенциал относительно нижней точки и, соответственно, относительно средней точки. Тогда ток будет протекать от верхней точки обмотки через диод VD1 к выводу “+”, через резистор нагрузки к выводу “-” и средней точке обмотки. Во второй полупериод на нижней (по схеме) точке обмотки окажется положительный потенциал относительно средней и верхней точки. Ток в этом случае будет протекать от нижней точки обмотки через диод VD2 к выводу “+”, через резистор нагрузки к выводу “-” и средней точке вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, ток через резистор все время протекает в одном направлении и на выходе получается форма напряжения, изображенная на рисунке

4.12 в.

Недостатком рассмотренного выпрямителя является то, что в каждый из полупериодов напряжение снимается только с половины вторичной обмотки трансформатора. Более экономичным является двухполупериодный выпрямитель, собранный на четырех диодах (рис. 4.13 а). Эта схема называется мостовой, поскольку в ней применен диодный мост. К одной из диагоналей моста присоединяют вторичную обмотку трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор. Иногда на схемах диодный мост изображают с помощью одного диода (рис. 4.13 б).

В положительный полупериод сетевого напряжения (сверху по схеме на обмотке “+”, снизу “-”) ток протекает от верхней точки обмотки через диод VD2 к клемме “+”, через резистор нагрузки к клемме “-”, через  диод VD4  к

нижней точке обмотки. В отрицательный полупериод сетевого напряжения (полярность показана в скобках) ток протекает от нижней точки обмотки через диод VD3 к клемме “+”, через резистор нагрузки к клемме “-”, через диод VD1 к верхней точке обмотки. Таким образом, каждая пара диодов работает поочередно и оба полупериода ток через резистор нагрузки имеет одно и то же направление.

Для питания операционных усилителей необходимо иметь два источника питания разной полярности, имеющих общую точку. На рисунке 4.13в показана схема выпрямителя, обеспечивающего двухполупериодное выпрямление каждого из напряжений на резисторах R_Н1, R_Н2

 Выпрямленное напряжение, получаемое на выходе всех рассмотренных типов выпрямителей, является пульсирующим; в нем можно выделить постоянную и переменную составляющие. Постоянная составляющая выпрямленного напряжения

– это среднее значение напряжения за период. Коэффициент пульсаций – это отношение амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к постоянной составляющей выпрямленного напряжения. Для нормальной работы большинства электронных устройств необходимо, чтобы пульсации напряжения были как можно меньше. Поэтому на выходе выпрямителей достаточно часто устанавливают сглаживающие фильтры, уменьшающие пульсации выпрямленного напряжения.

Основными элементами фильтров служат конденсаторы, катушки индуктивности и транзисторы, сопротивления которых различны для постоянного и переменного токов. В зависимости от используемых элементов различают емкостные, индуктивные и электронные фильтры.

Простейшим емкостным фильтром служит конденсатор, включаемый параллельно резистору нагрузки. Рассмотрим, как изменится выходное напряжение при использовании такого фильтра в однополупериодном выпрямителе (рис. 4.14а). В интервал времени Dt положительного полупериода сетевого напряжения конденсатор через открытый диод заряжается в полярности, указанной на схеме. Когда напряжение на вторичной обмотке трансформатора становится меньше напряжения, до которого зарядился конденсатор, он начинает разряжаться через нагрузочный резистор. Причем направление разрядного тока совпадает с направлением тока, протекающего в резисторе через открытый диод. В следующий положительный полупериод конденсатор через открытый диод снова заряжается и процессы разрядки повторяются. Тем самым заполняются паузы в токе, протекающем через резистор, и пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются (рис. 4.14 в).

В выпрямителях применяются емкостно – индуктивные, емкостно – резистивные и электронные фильтры. Простейшие варианты схем таких фильтров приведены на рисунках 4.15 а, б, в соответственно. Емкостно-резистивные фильтры в настоящее время применяются очень редко и при очень небольших токах нагрузки. Для фильтрации выпрямленного напряжения достаточно часто используются электронные фильтры. В качестве примера на рисунке 4.16 приведена схема электронного фильтра, примененного в экономичном импульсном стабилизаторе напряжения [42]. Ток базы транзистора VT2 протекает по цепи: плюс источника, резистор R2, переход баз-эмиттер транзистора, резистор нагрузки, минус источника. Ток базы транзистора VT1 протекает по цепи: плюс источника питания, переход эмиттер-база  транзистора VT1, выводы коллектор-эмиттер транзистора VT2, резистор нагрузки, минус источника питания. Напряжение на конденсаторе С₂ изменяется в основном за счет изменения силы тока базы транзистора VT2, а ток базы этого транзистора существенно меньше тока нагрузки (транзисторы должны иметь большой коэффициент усиления по  току).

Для получения высоких напряжений обычно используют схемы умножения напряжения. На рисунке 4.17а приведена схема умножителя напряжения. Умножители напряжения позволяют получить большое значение выпрямленного напряжения при не очень больших обратных напряжениях, приложенных к диодам. Выпрямители по схеме умножения напряжения используют для питания электронно-лучевых трубок осциллографов и телевизоров.

Если в распоряжении пользователя нет полупроводниковых диодов с необходимым обратным напряжением, то диоды можно включать последовательно для повышения допустимого обратного напряжения. Чтобы диоды не вышли из строя из-за разброса их обратных сопротивлений параллельно каждому диоду подключают резисторы сопротивлением 30-100 кОм (рис. 4.17 б). Сопротивление резисторов должно быть одинаковым и меньше наименьшего из обратных сопротивлений диодов. Тогда к каждому из диодов будут приложены примерно одинаковые обратные напряжения.

Если нужно получить прямой ток, больший предельного тока одного диода, используют параллельное соединение диодов (рис. 4.17в). Чтобы диоды не вышли из строя из-за разброса прямых токов (даже у однотипных диодов разброс может составлять десятки процентов) последовательно с диодами включают уравнительные резисторы сопротивлением десятые доли ома или единицы ом. Сопротивления резисторов подбирают экспериментально, чтобы токи через диоды были одинаковыми.

 

 

Выпрямитель напряжения двухполупериодный со средней точкой

Во всех каскадах применен двухполупериодный выпрямитель напряжения со средней точкой, вместо классического мостового. Такое решение коммерчески невыгодно, так как необходим более дорогой и сложный в изготовлении силовой трансформатор с дополнительной вторичной обмоткой. Которая даёт возможность – включить диоды (практически забытым в транзисторных изделиях) двухполупериодным выпрямителем со средней точкой, и в итоге достигнуть минимальных синфазных помех, наличие которых снижает комфортность и музыкальность звука. Классический – мостовой двухполупериодный выпрямитель имеет существенные недостатки, обусловленные повышенным количеством диодов. Больше активных диодов, больше искажений выходного напряжения связанных с работой этих диодов. При переключении диодов возникают проникающие ВЧ помехи (и их гармоники) от которых невозможно избавится. Шунтирование диодов конденсаторами, шунтирование вторичных обмоток силового трансформатора – все эти схемотехнические ухищрения негативно влияют на скорость переключения диодов и в конечном итоге портят звук. К тому же, незначительная несимметричность обмоток силового трансформатора может добавить дополнительные искажения. От всех этих недостатков свободен простой двухполупериодный выпрямитель напряжения со средней точкой, так как каждая вторичная обмотка трансформатора работает только с одним диодом, и основная часть ВЧ помех вязнет в индуктивностях силового трансформатора. Следовательно, сохраняется скорость переключения диодов и помехи имеют более низкий порядок, что хорошо маскируется основным звуковым сигналом. У мостового выпрямителя есть естественное достоинство – маленькое суммарное сопротивление диодов по постоянному току, что есть хорошо для импульсного потребителя, т.е. для двухтактного усилителя мощности работающего в классе “АВ” и “В”. Но, для однотактного усилителя мощности класса “А”, где потребление тока постоянно – стабильное, важна чистота напряжения питания по высокочастотному спектру. В наших однотактных усилителях мощности установлены двухполупериодные выпрямители напряжения со средней точкой на быстрых карбид кремниевых диодах шоттки, которые почти не имеют проникающих высокочастотных помех связанных с работой диодов. В результате получаем, чистое постоянное напряжение которое можно поддерживать маленькими ёмкостями плёночных конденсаторов. В двухполупериодных выпрямителях напряжения со средней точкой применяются диоды шоттки на основе карбида кремния фирм: Cree, Infineon – департамент Siemens.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик – однотактный гибридный усилитель звука.           Мы не создаём иллюзий,           Мы делаем звук живым!

Особенности работы выпрямителей, или как правильно рассчитать мощность силового трансформатора – Начинающим – Теория

Хороший и надёжный силовой трансформатор – это уже половина собираемой и разрабатываемой конструкции.
В настоящее время выбор силовых трансформаторов, предлагаемых рынком, для радиолюбителей довольно широк. Но не смотря на это, не все предлагаемые трансформаторы идеально подходят для нужд радиолюбителя (по току, напряжению, количеству обмоток и т.д.), и поэтому довольно часто ему приходится самостоятельно изготавливать силовые трансформаторы для своих разработок и собираемых конструкций.
В этой статье я попробую объяснить, как правильно выбрать, или рассчитать силовой трансформатор для своей конструкции.
Нового я здесь ничего не открою, и постараюсь как можно проще и на примерах, объяснить Вам то, что уже давно доказано и решено. Просто в силу каких либо обстоятельств, не все это могут знать.

В основном радиолюбителю приходится изготавливать силовые трансформаторы средней мощности 50 – 300 Вт.
КПД таких трансформаторов достигает 0,88 – 0,92. У более мощных промышленных трансформаторов, при мощностях более 1 кВт, КПД может достигать 0,97-0,98, так как обмотки их намотаны толстым проводом и потери в них на активное сопротивление минимальны.
У менее мощных трансформаторов, с мощностью до 40 Вт, КПД понижается и обычно не превышает 0,8 – 0,85.

Чтобы правильно рассчитать трансформатор, нужны довольно сложные вычисления, радиолюбители-же пользуются для этих целей упрощёнными формулами и радиолюбительскими программами, которые в принципе тоже довольно точно позволяют это сделать, поэтому я тоже постараюсь не отходить от этой традиции и всё попробую объяснить на практических примерах и готовых расчётах, используя по минимуму формулы и вычисления.

Как обычно производится расчёт силового трансформатора.
Зная напряжение и ток, который должна давать вторичная (или несколько вторичных) обмотка (U2 и I2), находим мощность вторичной цепи: При наличии нескольких вторичных обмоток мощность подсчитывают путем сложения мощностей отдельных обмоток.
Мощность вторичной обмотки Р2 по Закону Ома равна;

Отсюда можно найти и мощность первичной обмотки, где для трансформаторов средней мощности к нашим расчётам мы берём КПД трансформатора 0,9 (90%). Для трансформаторов меньшей мощности соответственно и КПД берётся меньше (0,8).
Мощность первичной обмотки Р1 (мощность трансформатора) в этом случае будет равна;

То есть поясню, если расчётная мощность вторичной (вторичных) обмотки у нас получилась например 100 Вт, то общая мощность трансформатора будет равна 111,1 Вт (100/0,9). Это ещё не учитывая ток холостого хода, который тоже прибавляется к общей мощности трансформатора.

Как определить мощность первичной обмотки мы уяснили, теперь как правильно определить мощность вторичной обмотки?
Для этого у нас имеется какая либо нагрузка, которая потребляет определённый ток при определённом напряжении. Например имеется нагрузка, потребляющая ток 2 Ампера при напряжении 15 Вольт.
Кажется что может быть проще, по Закону Ома умножаем 2 на 15 и вуаля – получаем 30 Вт. Да, это так, ток отдаваемый вторичной обмоткой будет равен току потребления нагрузкой, но только тогда, когда вторичная обмотка нагружена на активную нагрузку! Например обмотка накала ламп.
Если же вторичная обмотка нагружена на нагрузку через элементы выпрямителя, или выпрямителя и фильтра, то ситуация приобретает совсем другой оборот. Ток отдаваемый вторичной обмоткой будет больше тока, потребляемого нагрузкой!
Почему так, давайте попробуем вместе с этим разобраться.
Работа вторичной обмотки на активную нагрузку мы рассматривать не будем, здесь всё ясно, давайте пойдём дальше.

 

Работа выпрямителя на активную нагрузку.

Однополупериодный выпрямитель.

Поставим перед нагрузкой выпрямительный диод. То есть у нас получился однополупериодный выпрямитель.

Соберём такую же схемку. Трансформатор у меня тороидальный, мощностью 60 Вт, с напряжением ХХ вторичной обмотки около 20 вольт (номинальный ток нагрузки 3,8 А, номинальное напряжение 16,5 Вольт), ток ХХ трансформатора 7 мА.
В разрыв первичной обмотки, для измерения её тока, я поставил резистор, величиной 1,0 Ом, в разрыв вторичной (последовательно с нагрузкой) резистор, величиной 0,1 Ом. Для измерения в цепях переменного и пульсирующего тока и напряжения, я использовался среднеквадратичный (RMS) микровольтметр В3-57, ну и для измерения в цепях постоянного тока – цифровой мультиметр “Mastech MY64”.

Для безопасности измерений, вся эта конструкция подключалась через разделительный трансформатор. В качестве нагрузочных резисторов использовались проволочные переменные сопротивления различных величин, мощностью 25 Вт.
Действующий ток нагрузки был установлен 0,5 ампер (рисунок выше). Предел измерения 100 мВ, шунт во вторичной цепи 0,1 Ом.
Сопротивление переменного резистора получилось 19 Ом, действующее напряжение на нагрузке 9,5 вольт. То есть мощность потребляемая нагрузкой получилась 4,75 Вт.
Измерим ток, потребляемый первичной обмоткой.

Ток первичной обмотки получился 97 мА, минус 7 мА ХХ, итого 90 мА. Напряжение на первичной обмотке 215 вольт. Мощность потребляемая первичной обмоткой получилась 19,35 Вт, то есть в 4 (четыре) раза больше мощности потребляемой нагрузки. Почему так? Кому интересны все подробности происходящих процессов в трансформаторе, рекомендую почитать первоисточники, приведённые в конце статьи, кому лень читать, попробую объяснить по простому.

При установке диода последовательно с нагрузкой, у нас получается однополупериодный выпрямитель. На нагрузку подаётся импульс напряжения (тока) только в положительный полупериод, а в отрицательный ничего нет (пауза). В результате чего среднее напряжение на нагрузке уменьшается более, чем в два раза (точнее в 2,2) по сравнению с напряжением на вторичной обмотке. Средний ток через диод соответствует току нагрузки, а действующий ток диода и самой вторичной обмотки – больше тока нагрузки в 1,57 раза.
Давайте подсчитаем мощность вторичной обмотки;
Ток нагрузи 0,5 А, умножаем на 1,57=0,785 (ток вторичной обмотки). Полученный ток умножаем на напряжение вторичной обмотки (19 Вольт) 0,785х19=14,9 Вт – это получается отдаваемая мощность вторичной обмотки, плюс сюда ещё добавляются и переходные процессы при работе диода (вентиля), плюс реактивные токи, которые просто нагревают обмотку, в итоге мощность трансформатора получается минимум в 3,5 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Ещё при работе этой схемы во вторичной обмотке возникает постоянная составляющая (из-за того, что ток в обмотке протекает только в одном направлении в один полупериод), которая намагничивает сердечник трансформатора и тем больше, чем больше ток нагрузки. Из-за этого свойства сердечника ухудшаются и увеличивается ток ХХ, в последствии чего повышается потребляемая мощность трансформатора (у нас получилась мощность в 4 раза больше).

Например уже при токе нагрузки в 1,0 Ампер, напряжение на нагрузке получилось 9,0 Вольт, сопротивление нагрузки 9,0 Ом, мощность нагрузки 9,0 Вт. Ток первичной обмотки получился 230 мА (минус 7 мА) итого 223 и напряжение на первичной обмотке 210 вольт. Итоговая потребляемая мощность трансформатора 46,83 Вт, то есть больше мощности потребляемой нагрузкой уже в 5,2 раза. Сильно увеличился ток ХХ с увеличением тока нагрузки (от которого увеличилось намагничивание сердечника).

Двухполупериодный выпрямитель.

Ну, с однополупериодным выпрямителем разобрались, давайте пойдём дальше. Посмотрим как ведёт себя двухполупериодная схема.
Что из себя представляет двухполупериодная схема выпрямителя. Это два однополупериодных выпрямителя, которые работают на общую нагрузку. Каждый выпрямитель имеет свою обмотку, но в отличии от другого – противофазную, в результате чего выпрямляются (поступают в нагрузку) оба полупериода, за счёт чего эффективность такого выпрямителя, по сравнению с однополупериодным, повышается два раза.

Посмотрим, как он себя ведёт. Соберём схему двухполупериодного выпрямителя. Для этой схемы нужен трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Трансформатор другой, вторичная обмотка имеет напряжение 193-193 Вольт, ток ХХ у него 36 мА (какой нашёл).
Проволочными резисторами выставил ток нагрузки 150 мА.

Нагрузочный резистор получился с сопротивлением 1,17 кОм, измеренное напряжение на нём 175 Вольт. Мощность потребляемая нагрузкой получилась 26,17 Вт. Смотрим ток первичной обмотки.

Ток первичной обмотки 210 мА, минус ток ХХ (36) итого 174 мА. Мощность потребляемая трансформатором получилась 38,28 Вт. Это больше мощности потребляемой нагрузкой в 1,46 раз.
Как видите, здесь показатели гораздо лучше, чем у однополупериодного выпрямителя.
Идём дальше.

Мостовая схема выпрямителя.

Проверим, как поведёт себя мостовая схема выпрямителя.
Для этого соберём следующую схему.

Трансформатор возьмём тот, что был и раньше, с одной вторичной обмоткой из первого рассматриваемого случая для однополупериодного выпрямителя.
Ток нагрузки я выставил 0,5 А, проволочное переменное сопротивление получилось величиной 32 Ома. Напряжение на нагрузке 16 Вольт. Мощность потребляемая нагрузкой получилась 8 Вт.

Смотрим ток потребляемый первичной обмоткой.

Ток первички 53 мА минус ток ХХ (7 мА) = 45 мА. Мощность потребляемая первичной обмоткой получилась 9,9 Вт. Это в 1,23 раза больше, чем мощность потребляемая нагрузкой.
Как видите, здесь показатели ещё лучше, чем у двухполупериодного выпрямителя, не говоря уже об однополупериодном.

Работа выпрямителя на нагрузку с ёмкостной реакцией.

В основном радиолюбители используют в своей практической деятельности выпрямители с сглаживающими фильтрами, начинающимися с ёмкости (конденсатора), то есть нагрузка с ёмкостной реакцией.
Переписывать учебники не имеет смысла, кому интересно, список литературы в конце статьи. Просто я здесь дальше кратко изложу основные схемы выпрямителей применяемых радиолюбителями, их особенности и приближённые электрические характеристики, и как они влияют на общую мощность трансформатора.

Однополупериодный выпрямитель.

Начнём как обычно с однополупериодного выпрямителя.

У такого выпрямителя конденсатор фильтра заряжается до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки (при отсутствии нагрузки). То есть если напряжение вторички 10 Вольт, то конденсатор зарядится до 10х1,41=14,1 Вольта (это без падения напряжения на диоде).
Достоинства выпрямителя;
Простота схемы, используется всего один вентиль (диод, кенотрон).
Недостатки;
Большая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки, пониженная частота пульсаций по отношению с другими схемами, что требует применение конденсаторов в два раза большей ёмкости, плохое использование трансформатора (низкий КПД), присутствует вынужденное намагничивание сердечника. При пробое вентиля, переменное напряжение поступает на конденсатор, что ведёт его к выходу из строя и взрыву.
Особенности схемы;
Применяется радиолюбителями для питания слаботочных цепей. Обратное напряжение в этой схеме прикладываемое к вентилю, приблизительно в три раза больше напряжения вторичной обмотки (точнее в 2,82 раза), почему так происходит – попробуйте сами определить. То есть если у Вас вторичка имеет напряжение 100-110 Вольт, то диод необходимо ставить на обратное напряжение не менее 400 Вольт, на 300 Вольт может пробить.
Средний ток через вентиль здесь соответствует току нагрузки, а действующее значение тока через вентиль в два раза больше тока нагрузки.

 

Вторичная обмотка для однополупериодного выпрямителя выбирается в 1,8 -1,9 раз больше по току (лучше в 2 раза), чем ток потребления нагрузки. К общей расчётной мощности трансформатора, если есть ещё другие обмотки, добавьте мощность этой Вашей нагрузки умноженной на 2.

Двухполупериодный выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель обладает гораздо лучшими параметрами, чем однополупериодный. Выходное напряжение этого выпрямителя (напряжение на конденсаторе) в 1,41 раз выше, чем напряжение вторичной обмотки (половины). Это при отсутствии нагрузки.

Достоинства выпрямителя;
Малое количество используемых вентилей (2). Среднее значение тока через вентиль почти в два раза меньше тока нагрузки. Уровень пульсаций у этой схемы в 2 раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций, может быть в 2 раза меньше. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника, но это зависит от конструкции трансформатора и способа намотки обмоток, о чём будет сказано ниже.
Недостатки;
Сложная конструкция трансформатора, вторичная обмотка состоит из двух половин, откуда не рациональное использование меди. Обратное напряжение на один вентиль здесь также больше напряжения (половины) вторичной обмотки в 2,82 раза. Плохое использование трансформатора, так как общая расчётная мощность всей вторичной обмотки получается в 2,2 раза больше мощности потребляемой нагрузкой.
Особенности схемы;
Так как за один период, в этой схеме работают обе половины вторичной обмотки по очереди, соответственно и вентили (диоды) тоже работают по очереди, то среднее значение тока через один вентиль (за период) здесь получается почти в два раза меньше, чем ток нагрузки. То есть например, если поставить в эту схему диоды с допустимым постоянным током на 5 Ампер, то снять с этого выпрямителя можно будет 7-8 Ампер без особого риска выхода из строя диодов, естественно обеспечив им необходимое охлаждение. Действующий же ток через вентиль и вторичную обмотку здесь будут в 1,1 раза больше тока нагрузки.
Провод для вторичной обмотки в этой схеме, можно выбирать на 30-40% меньше по току (сечение), чем ток нагрузки, так как половины вторичной обмотки так же работают по очереди и среднее значение тока вторичной обмотки получается меньше тока нагрузки. Но лучше, если позволяют размеры трансформатора и возможности, мотать вторичку проводом соответствующего сечения с током нагрузки.

Насчёт вынужденного намагничивания сердечника. Если сердечник трансформатора Ш-образный, броневой, и все обмотки размещены на одном каркасе, то вынужденного намагничивания сердечника здесь не будет.
Если сердечник трансформатора стержневой и в конструкции трансформатора предусмотрены два каркаса, на которых размещены обмотки, и сетевая обмотка состоит из двух половин, размещённых на разных стержнях (ТС-180, ТС250), то вторичную обмотку в таких трансформаторах необходимо выполнять следующим образом;
Каждая половина вторичной обмотки делится ещё раз пополам и наматывается на разных стержнях, потом всё соединяется последовательно, сначала четверти одной половины, затем другой. Как ниже на рисунке. Иначе будет намагничивание сердечника.

 

Так как кенотроны обладают большим внутренним сопротивлением, то при выборе кенотронной схемы выпрямителя, напряжение вторичной обмотки (половины) выбирается в среднем примерно на 10-15% меньше планируемого выходного напряжения выпрямителя. Это ещё зависит от тока нагрузки. Чем больше ток нагрузки, тем меньше должна быть разница.
Ещё запомните, что во всех выпрямителях и с кенотронами и с диодами, конденсаторы фильтра при отсутствии нагрузки, всегда заряжаются до амплитудного напряжения вторичной обмотки (UC = U2 x 1,41). Это учитывайте при выборе напряжения конденсаторов фильтра.

Как примерно определить здесь, какая мощность добавится к общей мощности трансформатора? Не углубляясь глубоко в теорию, так как там очень много зависящих друг от друга факторов, можно поступить следующим образом;

Зная расчётный ток нагрузки, умножаем его на 1,7 (схема с кенотронами), или на 1,6 (схема с диодами), потом полученный результат умножаем на напряжение нагрузки. Это будет приблизительный результат полученной мощности, которая добавится к общей мощности трансформатора. Большой ошибки здесь не будет.

 

Мостовой выпрямитель.

Мостовой выпрямитель, так же как и двухполупериодный, обладает гораздо лучшими параметрами, чем однополупериодный и немного получше КПД, чем у двухполупериодного. Поэтому это наиболее распространённая схема.

Достоинства выпрямителя;
Среднее значение тока через вентиль почти в два раза меньше тока нагрузки. Уровень пульсаций у этой схемы в 2 раза меньше по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления. Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой коэффициенте пульсаций, может быть в 2 раза меньше. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника. Используется всего одна вторичная обмотка.
Недостатки;
Плохое использование трансформатора, так как приходится увеличивать расчётную мощность вторичной обмотки на величину амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, т.е. в 1,41 раз. Увеличенное число используемых вентилей (4) и необходимость их шунтирования резисторами, для выравнивания обратного напряжения на каждом их них. Хотя это уже не столь актуально при современном качестве их исполнения. Ещё в два раза большее падение напряжения, по сравнению с другими схемами, так как выпрямляемый ток проходит по двум вентилям последовательно. Но это заметно только при низком выходном напряжении и больших токах нагрузки.
Особенности схемы;
В этой схеме так же, как и в двухполупериодной, среднее значение тока через один вентиль (за период) получается почти в два раза меньше, чем ток нагрузки. То есть также можно использовать диоды с меньшим рабочим током (на 30-40%), чем ток нагрузки.
А вот действующий ток вторичной обмотки всегда будет выше, чем ток нагрузки, минимум на 1,41. Поэтому провод для вторичной обмотки в этой схеме нужно выбирать в 1,5 раза больше по току (сечение), чем ток нагрузки. Почему, потому что выпрямитель всегда будет заряжать конденсатор фильтра до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, и от величины этого напряжения и подсчитывается мощность. А так, как по закону сохранения энергии она никуда не пропадает, то вторичной обмотки ничего не остаётся, как постоянно восполнять эту разницу. То есть у нас например вторичная обмотка имеет напряжение 14 Вольт. На конденсаторе фильтра будет напряжение около 20-ти Вольт. Нагрузили мы её током 0,5 Ампер. Мощность получилась 10 Вт. Значит и вторичка должна отдавать 10 Вт, а при выходном напряжении 14 Вольт это будет ток примерно 0,71 Ампера, то есть больше тока нагрузки в 1,41 раз.

Вторичная обмотка в мостовой схеме выпрямителя, всегда будет отдавать энергию на заряд конденсатора до амплитудного значения напряжения, а нагрузка разряжать его. То есть это как повышающий преобразователь, где низковольтная часть – это вторичная обмотка, а высоковольтная – конденсатор фильтра. Поэтому и ток вторичной обмотки всегда будет выше тока нагрузки на эту разницу напряжений, то есть минимум в 1,41 раз.

Например нашли Вы трансформатор с выходным напряжением 24 Вольта и током нагрузки 5 Ампер (120 Вт). Собрали линейный регулируемый блок питания, подключили к нему нагрузку 12 Вольт и током потребления 5 Ампер (60 Вт). Вроде всё нормально должно быть. Погоняли с полчаса-час, запахло палёным, потрогали трансформатор – обожглись. Как так?

Давайте проверим что у нас было с трансформатором;
Ток нагрузки 5 Ампер, напряжение на конденсаторе фильтра в режиме ХХ будет 24х1,41=33,84 Вольта. Мощность потребляемая нагрузкой будет 33,84х5=169,2 Вт, притом это не зависит от выходного напряжения Вашего БП, хоть 5 Вольт, хоть 25. Остальная мощность просто потеряется на регулирующем транзисторе.
И вот оказывается, что в течении часа наш транс отдавал мощность нагрузке 170 Вт!!!, хотя его мощность 120.

Вывод; Для схемы мостового выпрямителя, сечение провода вторичной обмотки необходимо выбирать на 50% или в 1,5 раза больше планируемого тока нагрузки для обеспечения нормальных условий работы трансформатора, или же выбирать трансформатор для своей конструкции с током вторичной обмотки выше планируемого на такую же величину, так как ток нагрузки на трансформаторах указан для активной нагрузки.

Ну и соответственно мощность вторичной обмотки подсчитывается так: Ток нагрузки умножаем на напряжение вторичной обмотки и полученный результат умножаем на 1,5.

 

Схема удвоения напряжения.

Схема удвоения напряжения, тоже довольно часто применяется на практике. Схема состоит из двух однополупериодных выпрямителей, включенных последовательно и работающих на общую нагрузку. Особенностью данной схемы является то, что в одном полупериоде от вторичной обмотки “заряжается” один конденсатор, а во втором полупериоде от той же обмотки – другой. Поскольку конденсаторы включены последовательно, то результирующее напряжение на обоих конденсаторах (на нагрузке) в два раза выше, чем можно получить от той же вторичной обмотки в схеме с однополупериодным выпрямителем. То есть максимальное выходное напряжение ХХ выпрямителя равно U2 х 2,82 , почти в три раза больше напряжения вторичной обмотки.

Достоинства выпрямителя;
Вторичную обмотку трансформатора можно рассчитывать на значительно меньшее напряжение. Отсутствует вынужденное намагничивание сердечника. Используется всего одна вторичная обмотка.
Недостатки;
Большая зависимость выходного напряжения от тока нагрузки. Значительные токи через вентили выпрямителя и вторичную обмотку. Уровень пульсаций значительно выше, чем в схемах двухполупериодных выпрямителей.
Особенности схемы;
Схемы эти на практике применяются для получения высоких напряжений при малых токах нагрузки. Например вполне можно использовать такую схему для питания анодных цепей в маломощных ламповых усилителях, если нет подходящего трансформатора а перематывать лень, в предварительных каскадах мощных ламповых усилителях, сеточных цепей, и т.д.. Пульсации на нагрузке здесь такие же, как в мостовой или двухполупериодной схеме выпрямителей. Ток протекающий через вентиль соответствует току нагрузки. Обратное напряжение на вентиль равно амплитудному значению напряжения вторичной обмотки.

Действующий ток вторичной обмотки здесь больше тока нагрузки почти в три раза (2,82). Мощность вторичной обмотки подсчитывается так, ток нагрузки умножаем на 2,9 и полученный результат умножаем на напряжение вторичной обмотки. Сечение провода вторичной обмотки для этой схемы, выбирается по току в три раза больше, чем ток потребляемый нагрузкой.

Почему так, теперь Вы сами вполне сможете догадаться. Если напряжение ХХ вторичной обмотки например 10 Вольт, то при положительном полупериоде конденсатор С1 здесь зарядится до какого напряжения? Правильно, до 14,1 вольта (до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки, которое больше действующего в 1,41 раз). При отрицательном полупериоде конденсатор С2 так же зарядится до 14,1 вольт. Какое будет итоговое напряжение на нагрузке (R), 28,2 Вольта, то есть в 2,82 раза больше напряжения вторичной обмотки. Отсюда и вторичке ничего не остаётся, как всё время компенсировать эту разницу.

Удачи Вам в конструировании!

Список литературы;

• Терентьев Б.П. “Электропитание радиоустройств” (1958).
• Белопольский И.И. “Электропитание радиоустройств” (1965).
• Рогинский В. “Электропитание радиоустройств” (1970).

 

Выпрямители тока

Существует два типа выпрямителей:

1. Однополупериодный выпрямитель, показан на рис. 29.1. Диод D₁ в схеме на рис. 29.1 (а) проводит ток только в течение положительных полупериодов входного напряжения, обеспечивая формирование на выходе выпрямителя напряжение только положительной полярности. Если изменить полярность включения диода (рис. 29.1(б)), то на выхо­де выпрямителя будут воспроизводиться только отрицательные полу­периоды входного напряжения. Выходное напряжение содержит по­стоянную составляющую (рис. 29.2), уровень которой приблизительно втрое ниже максимального (пикового) уровня напряжения (0,318V_p, где V_p – максимальное напряжение).

2. Двухполупериодный выпрямитель, показан на рис. 29.3. В этом слу­чае используется трансформатор с отводом от средней точки вторич­ной обмотки. ЭДС, индуцируемые в каждой из половин вторичной обмотки, в любой момент времени равны по величине и противоположны по знаку.

Рис. 29.1. Однополупериодный выпрямитель с положительной (а)

и отрицательной (б) полярностью выходного напряжения.

 

Рис. 29.2
	Рис. 29.3. Двухполупериодный выпрямитель с использованием трансформатора с отводом от средней точки вторичной обмотки.

 

 

 

 

Рис. 29.4. Уровень постоянной составляющей при двухполупериодном выпря­млении синусоидального тока вдвое выше (0,636V_р), чем при однополупериодном выпрямлении.

Для одного полупериода входного напряжения потенциал точки А положителен, а потенциал точки В отрицателен по отноше­нию к среднему выводу вторичной обмотки, для другого полупериода ситуация изменяется на обратную. В первом случае открыт диод diи через этот диод и нагрузку R_L протекает ток I₁. Во втором случае открыт диод D₁ и ток I₂ протекает через нагрузку R_L в том же на­правлении, что и ток I₁. Форма выходного напряжения показана на рис. 29.4. В данном случае уровень постоянной составляющей на выходе выпрямителя вдвое выше, чем при однополупериодном выпрямле­нии тока (0,636V_p, или приблизительно две трети от максимального напряжения).

Мостовой выпрямитель                     

Еще одна схема, обеспечивающая двухполупериодное выпрямление тока, показана на рис. 29.5. Это так называемый мостовой выпрямитель. В те­чение положительного полупериода входного напряжения (рис. 29.6(а)) потенциал точки А положителен, а потенциал точки В отрицателен. Дио­ды D₁и D₃ открыты, и ток I₁ протекает через нагрузку R_Lв направлений, указанном стрелкой (сверху вниз на рисунке). В течение отрицательного полупериода (рис. 29.6(б)), напротив, потенциал точки А отрицателен, а потенциал точки В положителен.

 

Рис. 29.5. Мостовой выпрямитель.

Рис. 29.6.

Теперь открыты диоды D₂ и D₄, и ток протекает через нагрузку R_Lв том же самом направлении.

Для мостового выпрямителя не нужен трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Однако трансформатор может быть использован для изменения уровня переменного напряжения на входе этого выпрямителя.

 

Накопительный конденсатор

Для снижения уровня переменных составляющих выпрямленного тока используется накопительный конденсатор С₁, включаемый параллельно нагрузке (рис. 29.7). Этот конденсатор заряжается до максимального входного напряжения и затем разряжается через нагрузку R_L, предот­вращая быстрый спад напряжения. На рис. 29.8 иллюстрируется влияние накопительного конденсатора на форму выходного напряжения однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей. В обоих случаях выходное напряжение содержит значительную по величине постояннуюсоставляющую, на которую наложены малые пульсации напряжения. Амплитуда этих пульсаций определяется постоянной времени       (RC-постоянной) для используемого накопительного конденсатора и нагрузочного резистора.

 

Рис. 29.7. Источник питания постоянного тока с накопительным конденсато­ром.

 

Рис. 29.8. Влияние накопительного конденсатора на форму выпрямленного

 синусоидального напряжения.

Поэтому накопительный конденсатор должен иметь значительную емкость – от 100             до 5000 мкФ (и даже больше).

Сравнение двух временных диаграмм, представленных на рис. 29.8, показывает, что двухполупериодное выпрямление тока имеет следующие преимущества:          

                                   

1. Время разряда накопительного конденсатора меньше, поэтому амплитуда пульсаций выходного напряжения тоже меньше.            

2. Частота пульсаций вдвое превышает частоту входного питающего напряжения переменного тока, тогда как при однополупериодном выпрямлении частота пульсаций совпадает с частотой питающего напряжения. Например, если выпрямитель питается от бытовой электросети, то для двухполупериодного выпрямителя частота пульсаций будет равна 2 · 50 = 100 Гц, а для однополупериодного — только 50 Гц. Как будет показано далее, более высокочастотные пульсации отфильтро­вываются легче.

 

Напряжение холостого хода

Напряжением холостого хода называют величину выходного напряжений источника питания при нулевом токе нагрузки, т. е. при отключенной нагрузке.

Рис. 29.9. Напряжение холостого хода равно максимальному входному напря­жению.

На рис 29.9 показан простой источник питания без нагрузочного резистора. Накопительный конденсатор заряжается, как обычно, до максимального значения входного напряжения. Однако, если нагрузка подключена (noload), этот конденсатор сохраняет свой заряд и обеспечивает тем самым постоянное значение выходного напряжения (равное максимальному входному напряжению) без каких-либо пульсаций. Та­ким образом, напряжение холостого хода V_nl – это максимально воз­можное выходное напряжение источника питания. При питании от бы­товой электросети с напряжением V_ср.кв. = 240 В (среднеквадратическое значение) напряжение холостого хода

Максимальное обратное напряжение

Важный фактор, который необходимо принимать во внимание при выборе диодов для источников питания постоянного тока, — максимальное на­пряжение, приложенное к диоду в «непроводящем» полупериоде. Эта ве­личина называется максимальным обратным напряжением. Рассмотрим схему на рис. 29.9. Максимальное значение потенциала катода диода Dравно напряжению холостого хода 336 В. Потенциал катода изменяет­ся от положительного максимума +336 В до отрицательного минимума -336 В. Максимальное обратное напряжение, которое должен выдержи­вать диод, достигается, когда потенциал анода отрицателен и максима­лен по абсолютной величине, то есть, равен -336 В. В этом случае на диоде падает напряжение 336 + 336 = 672 В. Таким образом, максималь­ное обратное напряжение вдвое больше напряжения холостого хода, т. е. вдвое больше максимального входного напряжения.

RC-сглаживание

Пульсации напряжения в выходном сигнале выпрямителя могут быть Уменьшены с помощью фильтра нижних частот (сглаживающего филь­ма). Резистор R₁ и конденсатор С₂ в схеме на рис. 29.10 образуют про­стейший RC-фильтр. Для эффективного ослабления пульсаций постоянная времени R₁C₂ должна быть очень велика по сравнению с пери­одом пульсаций.

Рис. 29.10. Источник питания с RC-фильтром.

При заданной постоянной времени, чем короче период пульсаций (т. е. чем выше их частота), тем эффективнее осуществляется сглаживание. Именно поэтому пульсации на выходе двухполупериодного выпрямителя сглаживаются лучше, чем пульсации на выходе однополупериодного выпрямителя.

Емкость конденсатора C₂ сглаживающего фильтра должна быть боль­шой — от 100 до 5000 мкФ, т. е. сравнима с емкостью накопительного кон­денсатора C₁. Сопротивление резистора R₁, наоборот, должно быть мало, в противном случае ток нагрузки будет создавать на нем большое паде­ние напряжения и выходное напряжение источника питания уменьшится. Номинал этого резистора выбирается в диапазоне 1 – 100 Ом в зависимости от величины тока нагрузки.

 LC-сглаживание

Более эффективная схема сглаживания пульсаций показана на рис. 29.11. Катушка индуктивности L₁ и конденсатор C₂ образуют фильтр нижних частот. Дроссель L₁ сглаживающего фильтра имеет большую индуктив­ность (100 мГн — 10 Гн), благодаря чему сглаживаются изменения тока, протекающего через дроссель, и, как следствие, пульсации выходного на­пряжения. Низкое активное сопротивление дросселя — одно из его пре­имуществ, большие габариты — недостаток. Заметим, что в отличие от накопительного конденсатора, который повышает уровень постоянной со­ставляющей выходного напряжения источника питания, сглаживающая цепь оставляет этот уровень практически неизменным. Она только осла­бляет переменную составляющую на выходе источника питания.

Стабилизация

Увеличение тока, потребляемого от источника питания, приводит к уменьшению его выходного напряжения.

Рис. 29.11. Источник питания постоянного тока с LC-фильтром.

 

Рис. 29.12. Нагрузочная характеристика нестабилизированного источника пи­тания.

Это связано с тем, что источник питания имеет свое внутреннее сопротивление, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки трансформатора, выпрямительных диодов и резистора или дросселя сглаживающего фильтра. Рисунок 29.12 иллю­стрирует изменение напряжения на выходе источника питания при из­менении тока нагрузки. Представленная кривая называется нагрузочной характеристикой (кривой). Выходное напряжение максимально, когда ток нагрузки равен нулю, т. е. при холостом ходе. Напряжение на выходе источника питания, которое он обеспечивает при установленной полной нагрузке или номинальном (полном) токе нагрузки (fullload), называется номинальным выходным напряжением источника питания V_fl.

Изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения задается в процентах и определяется как

Напряжение холостого хода — Номинальное напряжение                        V_nl – V_fl  

———————————————————————————  · 100% = ———— · 100%

Номинальное напряжение                                                        V_fl

 

В этом видео рассказывается о выпрямительных схемах:

Добавить комментарий

1.28. Схемы выпрямителей для источников питания

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

Диоды и диодные схемы

Двухполупериодная мостовая схема. На рис. 1.74 показана схема источника питания постоянного тока с мостовым выпрямителем, который мы только что рассмотрели. Промышленность изготавливает мостовые схемы в виде функциональных модулей. Маленькие мостовые модули рассчитаны на предельный ток 1 А и напряжение пробоя от 100 до 600 В. а иногда до 1000 В. Для больших мостовых выпрямителей предельный ток равен 25 А и выше.

Рис. 1.74. Схема мостового выпрямителя. Значок полярности и электрод в виде дуги служат для обозначения поляризованного конденсатора, заряжать его с другой полярностью недопустимо.

Двухлолупериодный однофазный выпрямитель. Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя приведена на рис. 1.75. Выходное напряжение здесь в 2 раза меньше, чем в схеме мостового выпрямителя. Схема двухполупериодного однофазного выпрямителя не является эффективной с точки зрения использования трансформатора, так как каждая половина вторичной обмотки используется только в одном полупериоде. В связи с этим ток в обмотке за этот интервал времени в 2 раза больше, чем в простой двухполупериодной схеме. Согласно закону Ома, температура нагрева обмотки пропорциональна произведению I²R, значит, за время в 2 раза меньшее нагрев будет в 4 раза больше или в среднем больше по сравнению с эквивалентной двухполупериодной схемой. Трансформатор для этой схемы следует выбирать так, чтобы его предельный ток был в 1,4 (в √2) раз больше, чем у трансформатора мостовой схемы, в противном случае такой выпрямитель будет более дорогим и более громоздким, чем мостовой.

Рис. 1.75. Двухполупериодный выпрямитель на основе трансформатора со средней точкой.

Рис. 1.76.

Упражнение 1.28. Это упражнение поможет вам разобраться в механизме нагрева обмотки, пропорционального I²R, и понять, в чем проявляется недостаток однофазного выпрямителя. На какое предельное минимальное значение тока должен быть расчитан плавкий предохранитель, чтобы в цепи мог протекать ток, изменяющийся согласно графику, показанному на рис. 1.76, и имеющий среднюю амплитуду 1 А? Подсказка: предохранитель «перегорает», когда в цепи начинает протекать ток, превышающий предельное значение тока предохранителя. При этом в предохранителе расплавляется металлический проводник (температура его нагрева пропорциональна I²R). Допустим, что и в нашем случае температурная постоянная времени для плавкого предохранителя значительно больше, чем период прямоугольных колебаний, т. е. предохранитель реагирует на значение I², осредненное за несколько периодов входного сигнала.

Расщепление напряжения питания. Широко распространена мостовая однофазная двухполупериодная схема выпрямителя, показанная на рис. 1.77. Она позволяет рсщеплять напряжение питания (получать на выходе одинаковые напряжения положительной и отрицательной полярности). Эта схема эффективна, так как в каждом полупериоде входного сигнала используются обе половины вторичной обмотки.

Рис. 1.77. Формирование двухполярного (расщепленного) напряжения питания.

Рис. 1.78. Удвоитель напряжения.

Выпрямители с умножением напряжения. Схема, показанная на рис. 1.78, называется удвоителем напряжения. Для того чтобы понять, как работает эта схема, представьте, что она состоит из двух последовательно соединенных выпрямителей. Фактически эта схема является двухполупериодным выпрямителем, так как она работает в каждом полупериоде входного сигнала – частота пульсаций в 2 раза превышает частоту колебаний питающей сети (для сети с частотой 60 Гц, как в США, частота пульсаций составляет 120 Гц). Разновидности этой схемы позволяют увеличивать напряжение в 3, 4 и более раз. На рис. 1.79 показаны схемы выпрямителей, обеспечивающие увеличение напряжения в 2, 3 и 4 раза, в которых один конец обмотки трансформатора заземлен.

РРис. 1.79. Схемы умножения напряжения; наличие источника с плавающим напряжением в представленных схемах не обязательно.

Другие пассивные компоненты

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

Выпрямитель. Казалось бы, что может быть проще? Основные схемы выпрямителей (без умножения напряжения) известны давно и во всех подробностях.

Схемы выпрямления могут использоваться не только с трансформатором, но и без трансформатора (кроме схемы со средней точкой).

Данная статья носит по большей части описательный и теоретический характер. И рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто не имеет профильного образования, но хочет получше узнать о процессах происходящих в выпрямителе при различных условиях работы. Профессионалам и студентам радиотехнических и электротехнических специальностей ВУЗов она будет не интересна. Практические методики расчета выпрямителей я приведу в следующей статье, которая будет сугубо практической.

Сначала рассмотрим, как эти схемы выпрямителей работают на активную нагрузку. Рассмотрение будет довльно кратким, так это, действительно хорошо известно. Затем рассмотрю работу выпрямителя (мостовую схему) на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки. Это соответствует двум способам сглаживания, уменьшения пульсаций, выпрямленного напряжения. Не обойду стороной и влияние сопротивления источника на работу выпрямителя.

Но сначала напомню пару общих моментов. Коэффициент пульсаций Кп на выходе выпрямителя определяется как отношение амплитуда первой (основной) гармоники U1 к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

Постоянная составляющая U0 выпрямленного напряжения представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т

Все временные диаграммы в статье, для упрощения, получены на симуляторе TINA версии 9.3.200.277 SF-TI, а не сняты осциллографом с реальных схем.

Однополупериодный выпрямитель

В течении положительной полуволны входного переменного напряжения диод открыт и напряжение на нагрузке равно по величине входному напряжению, за вычетом падения напряжения на диоде, и совпадает с ним по форме. В течении обратной полуволны диод закрыт и напряжение на нагрузке можно считать нулевым.

На этой иллюстрации входное напряжение показано фиолетовом цветом, его амплитуда 10 В, а частота 50 Гц. Выпрямленное напряжение показано синим цветом. Хорошо видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше, чем входного. Однако, здесь не видно одной тонкости. Диод открыт только когда к нему приложено достаточное напряжение (разное для Si и Ge). Я увеличил этот момент, что бы было видно. Линейный участок на графике выпрямленного напряжения, при приближении к нулевому уровню, не ошибка моделирования. Он отражает процесс, в данном случае, закрывания диода.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диоде

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение, а не действующее. Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как выходное напряжение отлично от 0 только в течении половины периода.

Коэффициент пульсаций Kп=1.57. Вывод амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения я оставлю за скобками, так как это уже упражнение в математике и к теме статьи отношения не имеет.

Обратите внимание, что к диоду в закрытом состоянии прикладывается полное амплитудное напряжение. Например, для привычного действующего напряжения 220 В бытовой сети переменного тока амплитудное составит 310 В.

Кроме больших пульсаций выпрямленного напряжения однополупериодная схема обладает еще одним недостатком – она создает подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током, так как ток в обмотке протекает только в одном направлении. И это надо учитывать при расчете трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Фактически, является объединением двух однополупериодных выпрямителей, входной сигнал которых сдвинут на половину периода за счет использования вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки. Диоды в этой схеме открываются поочередно, каждый в свою половину периода.

Параметры входного напряжения и цвета кривых точно такие же, как и для однополупериодного выпрямителя. Хорошо видно, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте выходного переменного напряжения. Видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше амплитуды входного из-за падения напряжения на диодах, как и для однополупериодного выпрямителя. Я не буду приводить увеличенного участка диаграммы, что бы показать моменты открывания и закрывания диодов. Тут все в точности, как и в однополупериодном выпрямителе.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы, без учета падения напряжения на диодах.

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора. Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как каждый из диодов открыт только половину периода. Коэффициент пульсаций Кп=0.67.

Двухполупериодная схема обеспечивает в два раза меньшие пульсации выпрямленного напряжения и исключает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, но имеет два существенных недостатка. Во первых, в два раза увеличиваются затраты на изготовление вторичной обмотки, да и места она занимает в два раза больше. Во вторых, к закрытому диоду приложено удвоенное амплитудное напряжение.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Очень популярная схема выпрямителя. Входное переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а выпрямленное снимается с другой

Временная диаграмма работы мостового выпрямителя похожа на диаграмму для двухполупериодного со средней точкой. Но в мостовой схеме ток нагрузки протекает через два диода, поэтому амплитуда выпрямленного напряжения меньше. И это хорошо видно на иллюстрации.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диодах, такая же, как для схемы со средней точкой

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент пульсаций Кп=0.67.

К закрытым диодам в мостовой схеме приложено полное амплитудное напряжение. Мостовая схема не подмагничивает сердечник трансформатора (если он используется) постоянным током и не требует дополнительных затрат на вторичную обмотку. Но в ней используется в два раза больше диодов, чем в схеме со средней точкой. И потери на диодах в два раза больше.

Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

Работа выпрямителя на активную нагрузку встречается не часто. Давайте сначала посмотрим, что изменится, если нагрузка активно-индуктивная. Например, обмотка реле, или последовательно с активной нагрузкой включен сглаживающий дроссель. Для краткости я буду рассматривать лишь мостовую схему.

Сначала приведу временные диаграммы для напряжений

Здесь коричневым цветом показано напряжение на активной составляющей нагрузки, Rн, а синим напряжение на выходе выпрямителя, то есть, на последовательно включенных Lн и Rн.

А теперь диаграммы токов

Здесь зеленым цветом показан ток в нагрузке (Lн+Rн). А красным ток во вторичной обмотке трансформатора, то есть, входной ток выпрямителя с нагрузкой. Там, где красная линия пропадает, она совпадает с зеленой. На значения токов можно не обращать внимания, но если кому то интересно, то для моделирования выбрано сопротивление нагрузки 10 Ом и индуктивность 20 мГн.

Интересная картина, правда? Почему же так получилось? Во время положительного полупериода входного напряжения открыты диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрыты. Когда полярность входного напряжения меняется диоды VD1 и VD4 закрываются, а VD2 и VD3 открываются. Но при этом ток в нагрузке сохраняет прежнее направление.

Если нагрузка активная, то ток в ней повторяет по форме напряжение, а ток вторичной обмотки, входной ток выпрямителя, имеет синусоидальную форму.

Однако, наличие индуктивности препятствует изменению тока и ток нагрузки будет отставать от напряжения. Кроме того, пульсации тока будут сглаживаться, что видно на графике токов (зеленая линия). Если реактивное сопротивление индуктивности большое, примерно XL=ωпLн>10Rн (ωп частота пульсаций), ток нагрузки можно считать постоянным (пульсации отсутствуют), а следовательно и напряжение на активной составляющей нагрузки постоянно. При этом ток через диоды и ток вторичной обмотки трансформатора принимают практически прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке длительность проводящего состояния диодов равна длительности полупериода входного переменного напряжения.

Если принять потери в индуктивности нулевыми, ток нагрузки идеально сглаженным, то напряжение на активном сопротивлении нагрузки будет равно постоянной составляющей выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы выпрямителя. При этом к закрытым диодам прикладывается полное амплитудное входное напряжение, как и в обычной мостовой схеме.

Таким образом, индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя можно использовать для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Однако, форма входного тока в таком случае не будет синусоидальной.

Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку

Это гораздо более часто встречающийся случай. Почти всегда пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются подключенным параллельно нагрузке конденсатором

Давайте посмотрим на напряжения и токи в этом случае. Я приведу две диаграммы одну за другой. Сначала напряжения, затем входной ток выпрямителя

Как всегда, фиолетовая линия показывает входное напряжение выпрямителя, а синяя линия выпрямленное напряжение.

Хорошо видно, что входной ток выпрямителя, как и в случае активно-индуктивной нагрузки, перестал быть синусоидальным. Только теперь стремится не к прямоугольной, а к треугольной форме. В чем же дело в том случае?

В случае работы выпрямителя на емкостную нагрузку диоды будут открываться только тогда, когда входное напряжение превысит напряжение на конденсаторе. При этом, в начальный момент времени, амплитуда тока будет определяться разностью входного напряжения и напряжения на конденсаторе приложенной к сумме сопротивлений диодов и приведенного суммарного сопротивления обмоток трансформатора. А если трансформатора нет, то только к сопротивлению диодов. По мере заряда конденсатора и изменения напряжения на входе выпрямителя ток будет спадать. Когда входное напряжение станет ниже напряжения на конденсаторе диоды закроются и конденсатор начнет разряжаться на нагрузку.

Амплитудное значение тока тока через диоды из-за малого времени открытого состояния может значительно (обычно до 10 раз) превосходить среднее значение. При включении выпрямителя, когда емкость нагрузки разряжена, амплитуда тока может быть очень большой, поэтому может потребоваться использовать дополнительное сопротивление для ограничения броска тока.

Чем больше постоянная времени цепи разряда конденсатора, тем меньше пульсации выходного напряжения. Однако, форма входного тока в этом случае значительно отличается от синусоидальной. При этом амплитудное значение тока может быть весьма значительным, однако длительность этого пика мала.

Влияние сопротивления источника на работу выпрямителя

Во всех описанных выше случаях предполагалось, что источник напряжения, к которому подключен выпрямитель, обладает низким внутренним сопротивлением. А в случае трансформатора, что он способен отдать любой достаточный ток. Но что будет, если внутренне сопротивление источника не столь мало? Рассматривать эту ситуацию я буду на примере однополупериодного выпрямителя.

Здесь Rи это сопротивление источника или балластного резистора. Для определенности примем, что сопротивление нагрузки 1 кОм, а емкость конденсатора 100 мкФ. Сначала установим малое сопротивление источника, например, 1 Ом

Здесь зеленым цветом показано входное напряжение выпрямителя, а красным напряжение на нагрузке. Хорошо видно, что максимальное (пиковое) напряжение на нагрузке почти равно амплитудному значению входного напряжения и составляет 9.5 В. Разница объясняется падением напряжения на диоде.

А теперь увеличим сопротивление источника до 100 Ом, что составляет 10% от сопротивления нагрузки. Можно ожидать, что максимальное напряжение на нагрузке снизится тоже примерно на 10%, так как Rи и Rн образуют делитель напряжения. Однако

Сюрприз! Напряжение снизилось значительно сильнее и его максимальное значение составило всего 6.5 В вместо 9.5 В. В чем же дело? Давайте вспомним, что я писал о работе выпрямителя на активно-емкостную нагрузку. Начальная амплитуда тока заряда емкости, в каждый полупериод, определяется сопротивлением диодов, обмоток трансформатора и напряжением на конденсаторе (точнее, разницей входного напряжения и напряжения на конденсаторе). Если немного перефразировать, то получится, что начальная амплитуда тока заряда емкости определяется напряжением на конденсаторе и сопротивлением источника.

Вот мы и подошли к самому главному, к влиянию сопротивления источника. Если присмотреться внимательно, то напряжение на конденсаторе будет определяться скоростью заряда и скоростью разряда. Или, постоянной времени цепи заряда и постоянной времени цепи разряда. А мы увеличили постоянную времени заряда в 100 раз, что и оказало гораздо более значимое влияние, чем получившийся делитель (10%), на напряжение на конденсаторе.

Для двухполупериодного выпрямителя влияние сопротивления источника будет немного меньше, так как конденсатор подзаряжается два раза за период, а не один.

Ситуация с влиянием сопротивления источника показывает, что нужно понимать происходящие в схемах процессы. Хотя мозг иногда срабатывает “на автомате”, упуская из виду значимые детали процессов в виду кажущейся шаблонности анализируемой схемы.

И я сам попался на эту уловку мозга допустив ошибку в анализе двух схем в статье Ругать или предлагать анализ и решение? О критике старых электронных схем, не обратив внимание на то, что сопротивление балластного резистора уже не позволяло его игнорировать. В той статье я сохранил ошибочный вариант указав верный в примечаниях в тексте сразу после ошибки. Что бы наглядно показать читателям, сколь легко допустить глупую ошибку буквально на ровном месте.

Заключение

В данной статье я постарался показать процессы в выпрямителях при работе на разные нагрузки, но так, что бы это было наглядно и понятно начинающим и не специалистам. Математики в статье мало и она очень простая. В следующей статье я приведу практические методики расчета.

Трехимпульсный преобразователь средней точки | Осциллограммы напряжения и тока

Трехимпульсный преобразователь средней точки:

Это в основном трехфазные преобразователи, которые очень популярны, потому что легко доступно трехфазное питание. Трехфазные преобразователи обладают большей мощностью, чем однофазные преобразователи. С помощью этих преобразователей количество импульсов выходного напряжения, накладывающегося на среднее постоянное напряжение, может быть увеличено с помощью подходящих трансформаторных соединений. Увеличение количества импульсов улучшает характеристики преобразователя в отношении амплитуды постоянного напряжения, а также величины пульсаций.Напряжение постоянного тока трехимпульсного преобразователя средней точки больше, с уменьшенным содержанием пульсаций. Кроме того, сглаживающая индуктивность становится небольшой.

A Трехимпульсный преобразователь средней точки – это простейшая форма трехфазного преобразователя. Это показано на рис. 3.27. Из рисунка видно, что нейтраль вторичной обмотки трансформатора преобразователя должна служить обратным путем для тока. Преобразователь также называется преобразователем , звезда точка подключения . Выходное напряжение можно плавно изменять, изменяя угол включения тиристора.Тиристор, на который подается прямое напряжение, может начать проводить, если он получит пусковой импульс. Напряжения фаз V _s1 , V _s2 и V _s3 показаны на рис. 3.28. По рисунку можно определить естественную точку срабатывания тиристора. Это момент, в который диоды начали бы проводить, если бы преобразователь не управлялся, и является точкой пересечения напряжений. Этот момент, когда тиристор смещен в прямом направлении, наступает через 30 ° после того, как его напряжение пересекает нулевое значение.Тиристор всегда может перейти в режим проводимости, если он получает пусковой импульс

.

, когда его фазное напряжение больше, чем у исходящего. Отсюда отсчитывается угол стрельбы. Фазное напряжение, имеющее наибольшее мгновенное значение, может появляться только на нагрузке. Если включение зажигания происходит в момент естественного зажигания, среднее напряжение на выходных клеммах будет максимальным. Осциллограммы напряжения и тока для нескольких углов включения показаны на рис.3.29. Каждый тиристор ведет на 120 ° и блокирует на 240 °.

Максимальное обратное напряжение на тиристоре – это линейное напряжение, которое равно √3-кратному фазному напряжению.

Средний ток тиристора

Действующее значение тока тиристора = 0,23 В R

Среднее выходное постоянное напряжение при любом угле зажигания равно

.

при условии мгновенного переключения. Это уравнение действительно для непрерывной проводимости тока нагрузки, т.е.е. ток не должен становиться равным нулю при нулевом напряжении, как это происходит в резистивной нагрузке или нагрузке с обратной ЭДС. При достаточной индуктивности в цепи нагрузки ток нагрузки протекает даже при отрицательном напряжении.

По мере увеличения угла открытия α от 0 до 90 ° выходное напряжение очень плавно падает с максимального 1,17 В до нуля. Поток мощности происходит от переменного тока к постоянному, и преобразователь находится в режиме выпрямления. Если угол открытия увеличивается или замедляется, выходное напряжение имеет обратную полярность.Поток мощности может происходить от постоянного тока к переменному только при наличии источника постоянного напряжения, например нагрузка противо-ЭДС, такая как нагрузка двигателя постоянного тока, сможет сделать это во время регенерации. Преобразователь находится в инвертирующем режиме. Выходное напряжение постепенно увеличивается в отрицательном направлении, достигая 180 °. Следовательно, для углов 0 <α <90 ° преобразователь находится в режиме выпрямления, а для 90 ° <α <180 ° он находится в режиме инвертирования. Обычно обратное напряжение должно существовать на тиристоре в течение времени, превышающего время его выключения, чтобы он успешно перешел в состояние прямой блокировки.Время выключения тиристора составляет от 100 мкс до 300 мкс. Когда α = 180 °, токопроводящий тиристор никогда не может быть заблокирован, так как у него совсем нет времени, чтобы вернуться в состояние блокировки. Время, в течение которого на тиристоре существует обратное напряжение, должно быть больше, чем ωt _q .

Кроме того, отрицательное напряжение, возникающее на тиристоре, должно сохраняться даже после того, как тиристоры перешли в режим коммутации в течение определенного времени t _q . Для успешной коммутации должен быть предельный угол поворота, а α = 180 ° не может быть реализовано.На рисунке 3.30 показано изменение выходного напряжения при увеличении угла зажигания от 0 до 180 °. (Управляющая характеристика преобразователя, показанная на рис. 3.30, также показывает предел преобразователя.)

Конечный угол перекрытия из-за реактивных сопротивлений на стороне линии преобразователя также влияет на максимальный угол зажигания для работы преобразователя. Принимая во внимание эти факторы, максимальный угол стрельбы α _max зафиксирован на уровне 150 °.

Иногда происходит сбой коммутации, если приложенное напряжение мало.Это увеличивает перекрытие, которое влияет на предел инвертора, делая угол упора при стрельбе меньше суммы перекрытия и угла поворота. Проблемы коммутации обычно возникают, если выключение цепи меньше времени выключения тиристора. Для успешной коммутации должен быть предельный угол закалки.

В идеальных условиях сглаживания постоянного тока нагрузки напряжение V _diα падает на сопротивлении и наложенные пульсации на индуктивности нагрузки.

Тщательное изучение первичного и вторичного токов трансформаторов показывает, что нет баланса mmf из-за постоянной составляющей тока во вторичной обмотке. MMF постоянного тока предварительно намагничивает сердечник. Каждая ножка трансформатора несет магнитный поток, проходящий в основном через воздух. Трансформатору требуется сильный ток намагничивания. Кроме того, когда первичная обмотка соединена звездой, помимо потока постоянного тока существует поток третьей гармоники. Это приводит к дополнительным потерям и последующему нагреву трансформатора.Он также вызывает дополнительные напряжения в обмотках трансформатора. Этот гармонический поток не существует в Δ-соединении.

Этот постоянный ток и поток в сердечнике третьей гармоники можно полностью исключить, используя зигзагообразное соединение, как показано на рис. 3.31. В связи с этим ток тиристора пропускается через обмотки на разных ветвях, так что намагничивание постоянного тока и поток третьей гармоники нейтрализуются. Однако номинал этого трансформатора на 8% выше, чем у трансформатора с нормальным подключением.

Даже если основная величина тока определяет мощность, потребляемую на стороне постоянного тока, номинальные параметры трансформатора должны определяться с использованием полного или фактического тока, протекающего через обмотку.

Действующее значение вторичного тока I _d ∕ √3.

Номинал вторичной обмотки

Перекрытие: Коммутация тока от одного тиристора к другому никогда не бывает мгновенной. Входящий и выходной тиристоры во время коммутации работают одновременно.Период одновременного проведения называется , перекрытие . Угол перекрытия зависит от реактивного сопротивления рассеяния трансформатора, реактивного сопротивления линии и любых других индуктивностей в цепи, которые ограничивают di / dt тиристора. Перекрытие зависит от тока нагрузки и угла зажигания. Зависимость перекрытия от угла стрельбы можно понять из следующего уравнения

, где u _o – угол перекрытия при α = 0, а u – угол перекрытия при α.Влияние общего реактивного сопротивления (X _k ) и общего сопротивления цепи R _k , которое пренебрежимо мало на напряжение на клеммах, можно получить в общем случае. Из-за перекрытия происходит снижение напряжения на клеммах. Это может быть связано с падением напряжения на реактивных сопротивлениях при изменении тока. Регулирование напряжения и соответствующие уравнения могут быть определены с использованием уравнений, приведенных для однофазных соединений.

Падение напряжения из-за перекрытия

Падение сопротивления и падение устройства в прямом направлении также способствуют стабилизации напряжения.

Следовательно, напряжение на клеммах

Управляющая характеристика с учетом регулирования показана в

.

Рис. 3.30.

На среднее постоянное напряжение преобразователя накладывается несинусоидальное переменное напряжение. Его пульсация в три раза превышает частоту питающей сети. Действующее значение r-й гармоники, относящееся к V _di , составляет

.

, если считается перекрытие

Определяя содержание пульсаций как отношение эффективного значения наложенного переменного напряжения к идеальному постоянному напряжению, (W _u ), мы имеем

Для трехимпульсного преобразователя средней точки W _u равно 18.3% для α = 0 и 65,5% для α = 90 °.

Как уже говорилось, индуктивность L _d сглаживает пульсации в токе нагрузки и помогает сделать их непрерывными. При идеальном сглаживании напряжение нагрузки падает на сопротивление, а пульсирующее напряжение – на L _d . L _d обычно определяют, чтобы избежать прерывистой проводимости. Для трехимпульсного преобразователя

, где α – угол зажигания, а I _d – значение, при котором ток становится непрерывным

Входной ток трехимпульсного преобразователя средней точки также содержит гармоники.Эффективное значение r-й гармоники

.

, что составляет 50%, 25% и 20% от фундаментального значения для r = 2, 4 и 5 соответственно. Действующее значение линейного тока

Эффект перекрытия iS для уменьшения содержания гармоник

Преобразователю требуется реактивная мощность для управления фазой, а также для коммутации. Эта реактивная мощность подается от линий и влияет на коэффициент мощности входного тока. Гармоники в форме волны тока вносят вклад в реактивную мощность.Коэффициент смещения основной гармоники – это косинус угла между основной гармоникой входного тока и напряжения. Этот ток и основной ток вносят вклад в активную мощность. На общий коэффициент мощности влияют гармоники. Следовательно, основной коэффициент смещения необходимо правильно скорректировать, чтобы получить этот измененный коэффициент мощности. Близкий . Изучение форм сигналов напряжения и тока показывает, что основной коэффициент смещения – это не что иное, как косинус угла включения тиристоров.При α = 0 напряжение фазы вторичной обмотки и ток основной гармоники совпадают по фазе, а коэффициент смещения равен единице. С увеличением α этот коэффициент уменьшается. Влияние гармоник на величину реактивной мощности можно рассматривать, принимая во внимание их влияние на коэффициенты мощности. Коэффициент искажения g определяется как эффективное значение основной гармоники по отношению к действующему значению полного тока (I ₁ I). Общий коэффициент входной мощности = g cosα. Для трехимпульсного преобразователя средней точки это 0.827. Поскольку g всегда меньше единицы, искажение снижает общий коэффициент мощности.

Реактивную мощность из-за коммутации можно определить с помощью следующего уравнения.

Полная реактивная мощность может быть определена как отношение мощности постоянного тока при любом угле управления с помощью

Основной коэффициент смещения с учетом перекрытия составляет приблизительно cos (α + u / 2) или cos (α + 2u / 3) в зависимости от 60 <α <90 ° или 0 <α <30 °.

Следовательно, общий коэффициент мощности = gcos (α + u / 2) (3,42)

Использование трансформатора в управляемых выпрямителях. Выражения токов устройств в обсуждаемых преобразователях средней точки подчеркивают, что использование устройств, а также трансформаторов уменьшается с увеличением количества фаз или импульсов. Угол проводимости уменьшается, что отрицательно сказывается на потерях и номинальном токе устройств. Отношение среднеквадратичного значения тока к среднему увеличивается, что увеличивает потери в меди трансформатора.Полезность трансформатора может быть удобно определена отношением выходной мощности постоянного тока от выпрямителя к эффективным вольт-амперам трансформатора или расчетным номиналом трансформатора, который представляет собой среднее значение первичной и вторичной обмоток. В идеальных условиях это может быть единица, но обычно меньше 1.

В случае управляемых выпрямителей коэффициент использования трансформатора уменьшается при пониженных напряжениях в той же пропорции, что и коэффициент мощности. Это видно по осциллограммам напряжения и тока.Мы видим, что изменение угла зажигания вносит фазовый сдвиг в импульсы тока по сравнению с неконтролируемым случаем. Это не влияет на гармоники, но изменяет входной коэффициент смещения. Значение a также не влияет на значение входного переменного тока по отношению к выходному постоянному току. Снижение коэффициента мощности соответствует снижению выходного напряжения, и, таким образом, сохраняется необходимый баланс мощности. Следовательно, при пониженном напряжении коэффициент использования трансформатора уменьшается в той же пропорции, что и коэффициент мощности.

Преобразователи средней точки (с отводом от центра) с индуктивной (RL) нагрузкой

Принципиальная схема однофазного двухполупериодного или двухфазного однополупериодного управляемого выпрямителя с нагрузкой $ R_ {L} $ показана на рисунке 1. В различные формы напряжения и тока показаны на рисунке 2.

Со ссылкой на рис.1 тиристор $ T_ {1} $ может быть активирован в открытом состоянии в любой момент. время после того, как $ e_ {1} $ станет положительным. После включения тиристора $ T_ {1} $ ток нарастает в индуктивная нагрузка, поддерживающая тиристор $ T_ {1} $ во включенном состоянии до тех пор, пока $ e_ {1} $ становится отрицательным.Однако, как только $ e_ {1} $ становится отрицательным, $ e_ {2} $ становится положительным, и срабатывание тиристора $ T_ {2} $ немедленно включает тиристор $ T_ {2} $, который принимает ток нагрузки, подавая обратное напряжение на тиристор $ T_ {1} $, при этом его ток коммутируется (передано) на тиристор $ T_ {2} $. Напряжение тиристора, $ V_ {T}, $ осциллограмма на рис.2. показывает, что он может быть запущен в проводимость в любое время, когда $ V_ {T} $ положительно. В пиковое обратное (и прямое) напряжение, которое появляется на тиристоре, составляет $ 2 E_ {m}, $ что – максимальное значение вторичного напряжения полного трансформатора. {\ pi + \ alpha} E_ {m} \ cdot \ sin \ omega t \ cdot \ mathrm { d} (\ omega t) = \ frac {E_ {m}} {\ pi} [\ cos \ alpha- \ cos (\ pi + \ alpha)] $$

$$ E _ {\ mathrm {dc}} = \ frac {2 E_ {m}} {\ pi} \ cos \ alpha $$

Из этого уравнения были сделаны некоторые выводы –

1.{\ circ} $.

Выпрямитель – Электровинжиниринговые услуги

Выпрямитель – это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток (AC), который периодически меняет направление, в постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении. Этот процесс известен как исправление. Физически выпрямители имеют ряд форм, в том числе вакуумные трубчатые диоды, ртутно-дуговые вентили, выпрямители на основе оксида меди и селена, полупроводниковые диоды, кремниевые выпрямители и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния.Исторически использовались даже синхронные электромеханические переключатели и двигатели. Ранние радиоприемники, называемые кристаллическими радиоприемниками, использовали «кошачий ус» из тонкой проволоки, прижимающей кристалл галенита (сульфида свинца), чтобы служить точечным выпрямителем или «детектором кристаллов».

Выпрямители

имеют множество применений, но часто используются в качестве компонентов источников питания постоянного тока и систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения. Выпрямление может выполнять другие функции, кроме генерации постоянного тока для использования в качестве источника энергии.Как уже отмечалось, детекторы радиосигналов служат выпрямителями. В системах газового отопления для обнаружения пламени используется выпрямление пламени.
Из-за переменного характера входной синусоидальной волны переменного тока сам по себе процесс выпрямления производит постоянный ток, который, хотя и является однонаправленным, состоит из импульсов тока. Для многих применений выпрямителей, таких как источники питания для радио, телевидения и компьютерного оборудования, требуется постоянный постоянный ток (который вырабатывается батареей).В этих приложениях выходной сигнал выпрямителя сглаживается электронным фильтром (обычно конденсатором) для получения постоянного тока.
Более сложная схема, которая выполняет противоположную функцию, преобразовывая постоянный ток в переменный, называется инвертором.

• 1 Выпрямительные устройства
• 2 Цепи выпрямителя
  • 2.1 Однофазные выпрямители
    • 2.1.1 Полуволновое выпрямление (M1U)
    • 2.1.2 Полноволновое выпрямление (B2U)
  • 2.2 Выпрямители трехфазные
    • 2.2.1 Трехфазная полуволновая схема (M3U)
    • 2.2.2 Трехфазная двухполупериодная схема с центральным отводом трансформатора (M6)
    • 2.2.3 Выпрямитель мостовой трехфазный неуправляемый (Б6У)
    • 2.2.4 Трехфазный мостовой выпрямитель с управлением (B6C)
    • 2.2.5 Двенадцатиимпульсный мост
  • 2.3 Выпрямители с умножением напряжения
• 3 КПД выпрямителя
• 4 Потери выпрямителя
• 5 Сглаживание выхода выпрямителя
• 6 Приложения
• 7 Ректификационные технологии
  • 7.1Электромеханический
    • 7.1.1 Синхронный выпрямитель
    • 7.1.2 Вибрационный выпрямитель
    • 7.1.3 Мотор-генераторная установка
  • 7.2 Электролитический
  • 7.3 Тип плазмы
    • 7.3.1 Ртутная дуга
    • 7.3.2 Электронная трубка с аргоновым газом
  • 7,4 Трубка вакуумная диодная (вентиль)
  • 7,5 Твердое состояние
    • 7.5.1 Детектор кристаллов
    • 7.5.2 Выпрямители из оксида селена и меди
    • 7.5.3 Кремниевые и германиевые диоды
    • 7.5.4 Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые кремниевые преобразователи напряжения
• 8 Текущие исследования
• 9 Ссылки

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей использовались вакуумные ламповые термоэлектронные диоды и металлические выпрямительные батареи на основе оксида меди или селена. С появлением полупроводниковой электроники ламповые выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов лампового аудиооборудования.Для выпрямления мощности от очень слабого до очень большого тока широко используются полупроводниковые диоды различных типов (переходные диоды, диоды Шоттки и т. Д.).
Другие устройства, которые имеют управляющие электроды, а также действуют как клапаны однонаправленного тока, используются там, где требуется нечто большее, чем простое выпрямление, например, когда требуется переменное выходное напряжение. В мощных выпрямителях, например, в выпрямителях постоянного тока высокого напряжения, используются кремниевые полупроводниковые устройства различных типов.Это тиристоры или другие твердотельные переключатели с управляемым переключением, которые эффективно работают как диоды, пропускающие ток только в одном направлении.

Цепи выпрямителя

могут быть однофазными или многофазными (чаще всего три фазы). Большинство выпрямителей малой мощности для домашнего оборудования являются однофазными, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленных приложений и для передачи энергии в виде постоянного тока (HVDC).

2.1 Однофазные выпрямители

2.1.1 Полупериодное выпрямление (M1U)

При полуволновом выпрямлении однофазного источника питания, также называемом неуправляемой одноимпульсной схемой средней точки, либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока проходит, а другая половина блокируется. Поскольку на выходе достигает только половина входного сигнала, среднее напряжение ниже. Для однополупериодного выпрямления требуется один диод при однофазном питании или три при трехфазном питании. Выпрямители выдают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; Полуполупериодные выпрямители производят гораздо больше пульсаций, чем двухполупериодные выпрямители, и для устранения гармоник частоты переменного тока на выходе требуется гораздо больше фильтрации.

Выходное постоянное напряжение холостого хода идеального однополупериодного выпрямителя для синусоидального входного напряжения составляет:

где:

V _dc , V _av – постоянное или среднее выходное напряжение,

В _пик , пиковое значение фазных входных напряжений,

V _rms , среднеквадратичное значение выходного напряжения.

2.1.2 Двухполупериодное выпрямление (B2U)

Двухполупериодный выпрямитель на вакуумной лампе с двумя анодами.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель преобразует всю форму входного сигнала в сигнал постоянной полярности (положительный или отрицательный) на выходе. Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входного сигнала в пульсирующий постоянный ток (постоянный ток) и дает более высокое среднее выходное напряжение. Требуются два диода и трансформатор с центральным ответвлением или четыре диода в мостовой конфигурации и любой источник переменного тока (включая трансформатор без центрального ответвления).Одинарные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом и четырехдиодные мосты изготавливаются как однокомпонентные.

Мостовой выпрямитель Гретца: двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор с центральным ответвлением, то два диода, соединенные спина к спине (катод-катод или анод-анод, в зависимости от требуемой выходной полярности) могут образовать двухполупериодный выпрямитель. Для получения того же выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора требуется в два раза больше витков, чем для мостового выпрямителя, но номинальная мощность не меняется.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводным трансформатором и 2 диодами.

Среднее и среднеквадратичное выходное напряжение холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя составляет:

Очень распространенные вакуумные лампы с двойным диодным выпрямителем содержат один общий катод и два анода внутри одной оболочки, что обеспечивает двухполупериодное выпрямление с положительным выходом. 5U4 и 5Y3 были популярными примерами этой конфигурации.

2.2 Трехфазные выпрямители

Однофазные выпрямители обычно используются в источниках питания для бытовой техники.Однако для большинства промышленных и мощных применений схемы трехфазного выпрямителя являются нормой. Как и однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители могут иметь форму полуволновой схемы, двухполупериодной схемы с использованием трансформатора с центральным отводом или двухполупериодной мостовой схемы.
Тиристоры обычно используются вместо диодов для создания схемы, которая может регулировать выходное напряжение. Многие устройства, которые обеспечивают постоянный ток , фактически генерируют трехфазного переменного тока. Например, автомобильный генератор содержит шесть диодов, которые работают как двухполупериодный выпрямитель для зарядки аккумулятора.

2.2.1 Трехфазная полуволновая цепь (M3U)

Схема управляемого трехфазного однополупериодного выпрямителя (M3C) с тиристорами в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания

Неуправляемая трехфазная полуволновая средняя цепь требует трех диодов, по одному на каждую фазу. Это простейший тип трехфазного выпрямителя, но он страдает от относительно высоких гармонических искажений как на соединениях переменного, так и постоянного тока. Считается, что этот тип выпрямителя имеет количество импульсов три, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса за цикл частоты сети:

Пиковые значения В _пик из этих трех -импульсное напряжение постоянного тока рассчитывается на основе действующего значения В _LN входного фазного напряжения (линейное напряжение, 120 В в Северной Америке, 230 В в Европе при работе от сети):.Среднее выходное напряжение без нагрузки В _av получается из интеграла под графиком положительной полуволны с длительностью периода (от 30 ° до 150 °):

2.2.2 Трехфазная двухполупериодная схема с центральным отводом трансформатора (M6)

Схема управляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя (M6C) с тиристорами в качестве переключающих элементов, с трансформатором с центральным отводом, без учета индуктивности питания

Если питание переменного тока подается через трансформатор с центральным ответвлением, можно получить схему выпрямителя с улучшенными характеристиками гармоник.Для этого выпрямителя теперь требуется шесть диодов, по одному на каждом конце каждой вторичной обмотки трансформатора. Эта схема имеет шесть импульсов, и, по сути, ее можно рассматривать как шестифазную полуволновую схему.
До того, как стали доступны твердотельные устройства, полуволновая схема и двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом очень широко использовались в промышленных выпрямителях с ртутно-дуговыми клапанами. Это было связано с тем, что три или шесть входов питания переменного тока можно было подавать на соответствующее количество анодных электродов на одном резервуаре, используя общий катод.
С появлением диодов и тиристоров эти схемы стали менее популярными, а трехфазная мостовая схема стала наиболее распространенной схемой.

2.2.3 Выпрямитель мостовой трехфазный неуправляемый (Б6У)

Автомобильный генератор в разобранном виде с шестью диодами, составляющими двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель.

Для неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя используется шесть диодов, и схема снова имеет количество импульсов шесть. По этой причине его также часто называют шестипульсным мостом.В упрощенном виде схему B6 можно рассматривать как последовательное соединение двух трехимпульсных центральных цепей M3.
Для применений с низким энергопотреблением двойные диоды, соединенные последовательно, с анодом первого диода, соединенным с катодом второго, изготавливаются для этой цели как единый компонент. Некоторые имеющиеся в продаже двойные диоды имеют все четыре клеммы, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, полумостом или трехфазным выпрямителем.
Для приложений с более высокой мощностью обычно используется одно дискретное устройство для каждого из шести плеч моста.Для самых высоких мощностей каждое плечо моста может состоять из десятков или сотен отдельных устройств, подключенных параллельно (где требуется очень высокий ток, например, при плавке алюминия) или последовательно (где необходимы очень высокие напряжения, например, в высоковольтная передача электроэнергии постоянного тока).

Управляемая трехфазная двухполупериодная мостовая схема выпрямителя (B6C) с тиристорами в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания

Пульсирующее напряжение постоянного тока является результатом разницы мгновенных положительных и отрицательных фазных напряжений В _LN , сдвинуто по фазе на 30 °:

Идеальное среднее выходное напряжение без нагрузки В _av цепи B6 получается из интеграла под графиком импульса постоянного напряжения с длительностью периода (от 60 ° до 120 °) с пиковым значением

Трехфазный вход переменного тока, полуволновые (M3U) и двухполупериодные (B6U) выпрямленные выходные сигналы постоянного тока

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное, так и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) противоположна центральной точке трансформатора (или нейтральный проводник) имеет разность потенциалов в виде треугольного синфазного напряжения.По этой причине два центра никогда не должны быть соединены друг с другом, иначе могут протекать токи короткого замыкания. Таким образом, земля трехфазного мостового выпрямителя при симметричном режиме работы отделена от нейтрального проводника или земли сетевого напряжения. При питании от трансформатора возможно заземление центральной точки моста при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от напряжения сети и точка звезды вторичной обмотки не находится на земле.Однако в этом случае (пренебрежимо малые) токи утечки протекают по обмоткам трансформатора.
Синфазное напряжение формируется из соответствующих средних значений разницы между положительным и отрицательным фазными напряжениями, которые образуют пульсирующее напряжение постоянного тока. Пиковое значение дельта-напряжения составляет ¼ пикового значения фазного входного напряжения В _пик и рассчитывается с В _пик минус половина напряжения постоянного тока при 60 ° периода. :

Среднеквадратичное значение синфазного напряжения рассчитывается из форм-фактора для треугольных колебаний:

Если схема работает асимметрично (как простое напряжение питания с одним положительным полюсом), как положительный, так и отрицательный полюса (или изолированный опорный потенциал) пульсируют напротив центра (или земли) входного напряжения аналогично положительные и отрицательные формы сигналов фазных напряжений.Однако разница в фазных напряжениях приводит к шестиимпульсному постоянному напряжению (в течение периода). Строгое отделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут протекать токи короткого замыкания) или возможное заземление отрицательного полюса при питании от изолирующего трансформатора применимы, соответственно, к симметричной работе.

2.2.4 Трехфазный мостовой выпрямитель, управляемый (B6C)

В управляемом трехфазном мостовом выпрямителе вместо диодов используются тиристоры.Выходное напряжение уменьшается на коэффициент cos (α):

Или, выраженное в линейном входном напряжении:

Где:

В _LLpeak , пиковое значение линейных входных напряжений,

В _пик , пиковое значение фазных (фаза-нейтраль) входных напряжений,

α, угол включения тиристора (0, если для выпрямления используются диоды)

Приведенные выше уравнения действительны только в том случае, если ток не потребляется от источника переменного тока или в теоретическом случае, когда соединения источника переменного тока не имеют индуктивности.На практике индуктивность источника питания вызывает уменьшение выходного постоянного напряжения с увеличением нагрузки, обычно в диапазоне 10–20% при полной нагрузке.
Влияние индуктивности питания заключается в замедлении процесса переключения (называемого коммутацией) от одной фазы к другой. В результате при каждом переходе между парой устройств существует период перекрытия, в течение которого три (а не два) устройства в мосте проводят одновременно. Угол перекрытия обычно обозначается символом μ (или u) и может составлять 20–30 ° при полной нагрузке.
С учетом индуктивности питания выходное напряжение выпрямителя уменьшается до:

Угол перекрытия μ напрямую связан с постоянным током, и приведенное выше уравнение можно переформулировать как:

Где:

L _c , коммутирующая индуктивность на фазу

I _d , постоянный ток

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° без перекрытия

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° с углом перекрытия 20 °

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа = 20 ° и углом перекрытия 20 °

Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа = 40 ° и углом перекрытия 20 °

2.2.5 Двенадцатиимпульсный мост

Двенадцатиимпульсный мостовой выпрямитель с тиристорами в качестве переключающих элементов

Хотя схемы шестипульсного выпрямителя лучше, чем однофазные или трехфазные однополупериодные выпрямители, они по-прежнему создают значительные гармонические искажения как на соединениях переменного, так и на постоянном токе. Для выпрямителей очень большой мощности обычно используется двенадцатипульсное мостовое соединение. Двенадцатиимпульсный мост состоит из двух шестиимпульсных мостовых схем, соединенных последовательно, причем их соединения переменного тока питаются от трансформатора питания, который обеспечивает сдвиг фазы на 30 ° между двумя мостами.Это подавляет многие характерные гармоники, которые создают шестиимпульсные мосты.
Фазовый сдвиг на 30 градусов обычно достигается за счет использования трансформатора с двумя наборами вторичных обмоток: один соединен звездой (звездой), а другой – треугольником.

2.3 Выпрямители с умножением напряжения

Переключаемый полный мост / удвоитель напряжения.

Простой однополупериодный выпрямитель может быть построен в двух электрических конфигурациях с диодом, направленным в противоположных направлениях, одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода напрямую к переменному току. поставка.Комбинируя оба этих параметра с отдельным сглаживанием выходного сигнала, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока. Это также обеспечивает отвод посередине, что позволяет использовать такую ​​схему в качестве источника питания с раздельной шиной.
Вариант этого состоит в том, чтобы использовать два последовательно соединенных конденсатора для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем установить переключатель между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока. При разомкнутом переключателе эта схема действует как обычный мостовой выпрямитель.Когда переключатель замкнут, он действует как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (± 15%, прибл.) Постоянного тока из любого источника питания 120 В или 230 В в мире, которое затем можно подать в относительно простой коммутируемый режим. источник питания. Однако для заданной желаемой пульсации значение обоих конденсаторов должно быть вдвое больше, чем значение одного конденсатора, требуемого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выход полуволнового выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентной величиной, равной половине одного из них.

Умножитель напряжения Cockcroft Walton

Можно добавить каскадные диодные и конденсаторные каскады для создания умножителя напряжения (схема Кокрофта-Уолтона). Эти схемы способны создавать потенциал выходного постоянного напряжения, в десятки раз превышающий пиковое входное напряжение переменного тока, но ограничены по току и регулированию. Диодные умножители напряжения, часто используемые в качестве промежуточного каскада повышения или первичного источника высокого напряжения (ВН), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, питающих устройствах, таких как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, те, которые используются в телевидении, радарах и сонарах на ЭЛТ. дисплеев), устройства для усиления фотонов, используемые в усилителях изображения и фотоумножителях (ФЭУ), и радиочастотные (RF) устройства на основе магнетронов, используемые в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах.До появления полупроводниковой электроники в бестрансформаторных ламповых приемниках, питаемых непосредственно от источника переменного тока, иногда использовались удвоители напряжения для генерации примерно 300 В постоянного тока из линии электропередачи 100–120 В.

3 КПД выпрямителя

Эффективность выпрямителя (η) определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности от источника переменного тока. Даже с идеальными выпрямителями без потерь КПД составляет менее 100%, потому что часть выходной мощности составляет мощность переменного тока, а не постоянного тока, что проявляется в виде пульсации, наложенной на форму сигнала постоянного тока.Для однополупериодного выпрямителя КПД очень плохой,

(делители равны 2, а не √2, потому что в отрицательном полупериоде мощность не подается)

Таким образом, максимальный КПД для однополупериодного выпрямителя равен

.

Аналогично для двухполупериодного выпрямителя

КПД снижается из-за потерь в обмотках трансформатора и рассеяния мощности в самом выпрямительном элементе.Эффективность можно повысить с помощью схем сглаживания, которые уменьшают пульсации и, следовательно, уменьшают содержание переменного тока на выходе. Трехфазные выпрямители, особенно трехфазные двухполупериодные выпрямители, имеют гораздо больший КПД, потому что пульсации по своей сути меньше. В некоторых трехфазных и многофазных приложениях эффективность достаточно высока, поэтому схемы сглаживания не нужны.

4 Потери выпрямителя

Настоящий выпрямитель обычно снижает часть входного напряжения (падение напряжения для кремниевых устройств обычно составляет 0.7 вольт плюс эквивалентное сопротивление, в общем нелинейное), а на высоких частотах искажает форму сигнала другими способами. В отличие от идеального выпрямителя, он рассеивает некоторую мощность.
Аспектом большей части выпрямления является потеря от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, вызванная встроенным падением напряжения на диодах (около 0,7 В для обычных кремниевых диодов с p – n переходом и 0,3 В для диодов Шоттки) . Полупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с центральным отводом приводит к падению пикового напряжения в одно падение на диоде.Мостовое выпрямление имеет потерю двух диодных падений. Это снижает выходное напряжение и ограничивает доступное выходное напряжение, если необходимо выпрямить очень низкое переменное напряжение. Поскольку диоды не проводят ниже этого напряжения, цепь пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая короткие сегменты нулевого напряжения (где мгновенное входное напряжение ниже одного или двух падений диода) появляются между каждым «горбом». ».
Пиковые потери очень важны для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или меньше), но незначительны в высоковольтных приложениях, таких как HVDC.

5 Сглаживание выхода выпрямителя

Вход переменного тока (желтый) и выход постоянного тока (зеленый) однополупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором. Обратите внимание на пульсацию сигнала постоянного тока.

Хотя однополупериодное и двухполупериодное выпрямители могут подавать однонаправленный ток, ни одно из них не дает постоянного напряжения. Для получения постоянного постоянного тока из выпрямленного переменного тока требуется сглаживающая цепь или фильтр. ^[8] В простейшей форме это может быть просто накопительный конденсатор или сглаживающий конденсатор, размещенный на выходе постоянного тока выпрямителя.На частоте источника питания для полуволнового выпрямителя все еще присутствует составляющая пульсирующего напряжения переменного тока, вдвое больше, чем для двухполупериодного, где напряжение не полностью сглажено.

RC-Filter Rectifier: Эта схема была разработана и смоделирована с помощью программного обеспечения Multisim 8.

Выбор размера конденсатора представляет собой компромисс. Для данной нагрузки конденсатор большего размера снижает пульсации, но стоит дороже и создает более высокие пиковые токи во вторичной обмотке трансформатора и в источнике питания, который его питает.Пиковый ток в принципе задается скоростью нарастания напряжения питания на переднем фронте входящей синусоидальной волны, но на практике он снижается за счет сопротивления обмоток трансформатора. В крайних случаях, когда в цепь распределения питания загружено много выпрямителей, пиковые токи могут вызвать трудности с поддержанием правильно сформированного синусоидального напряжения в сети переменного тока.
Чтобы ограничить пульсации до заданного значения, требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя на входной цикл.Ток нагрузки и частота питания обычно находятся вне контроля разработчика выпрямительной системы, но на количество пиков на входной цикл может повлиять выбор конструкции выпрямителя.
Однополупериодный выпрямитель дает только один пик за цикл, и по этой и другим причинам используется только в очень небольших источниках питания. Двухполупериодный выпрямитель обеспечивает два пика за цикл, что является наилучшим возможным при однофазном входе. Для трехфазных входов трехфазный мост дает шесть пиков за цикл.Большее количество пиков может быть достигнуто за счет использования трансформаторных цепей, размещенных перед выпрямителем для преобразования в фазу более высокого порядка.
Для дальнейшего уменьшения пульсаций можно использовать конденсаторный входной фильтр. Это дополняет накопительный конденсатор дросселем (катушкой индуктивности) и вторым фильтрующим конденсатором, так что на выводах фильтрующего конденсатора может быть получен более стабильный выходной сигнал постоянного тока. Дроссель имеет высокий импеданс для тока пульсаций. Для использования на частотах линии электропередачи индукторам требуются сердечники из железа или других магнитных материалов, что увеличивает их вес и размер.Поэтому их использование в источниках питания для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как регуляторы напряжения.
Более обычная альтернатива фильтру, необходимая, если нагрузка постоянного тока требует очень низких пульсаций напряжения, состоит в том, чтобы следовать за накопительным конденсатором со схемой активного регулятора напряжения. Накопительный конденсатор должен быть достаточно большим, чтобы избежать падения пульсаций ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для создания требуемого выходного напряжения.Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсаций, так и для устранения отклонений в характеристиках питания и нагрузки. Можно было бы использовать накопительный конденсатор меньшего размера (он может быть большим в сильноточных источниках питания), а затем применить некоторую фильтрацию, а также регулятор, но это не обычная стратегия. Крайний вариант этого подхода – полностью отказаться от емкостного конденсатора и направить выпрямленный сигнал прямо во входной дроссельный фильтр. Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная, и, следовательно, выпрямителю больше не приходится обрабатывать ток как большой импульс тока, а вместо этого подача тока распределяется по всему циклу.Недостатком, помимо дополнительных размеров и веса, является то, что выходное напряжение намного ниже – приблизительно среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое значение.

6 приложений

Основное применение выпрямителей – получение мощности постоянного тока от источника переменного тока (преобразователь переменного тока в постоянный). Практически все электронные устройства требуют постоянного тока, поэтому выпрямители используются в источниках питания практически всего электронного оборудования.
Преобразование постоянного тока из одного напряжения в другое намного сложнее.Один из методов преобразования постоянного тока в постоянный сначала преобразует мощность в переменный ток (с помощью устройства, называемого инвертором), затем использует трансформатор для изменения напряжения и, наконец, выпрямляет мощность обратно в постоянный ток. Обычно используется частота в несколько десятков килогерц, поскольку для этого требуется гораздо меньшая индуктивность, чем на более низких частотах, и исключается использование тяжелых, громоздких и дорогих устройств с железным сердечником.

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

Выпрямители также используются для обнаружения радиосигналов с амплитудной модуляцией.Перед обнаружением сигнал может быть усилен. В противном случае следует использовать диод с очень низким падением напряжения или диод с фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции необходимо тщательно согласовать сопротивление конденсатора и нагрузки: слишком низкая емкость заставляет высокочастотную несущую проходить к выходу, а слишком высокая заставляет конденсатор просто заряжаться и оставаться заряженным.
Выпрямители подают поляризованное напряжение для сварки. В таких схемах требуется контроль выходного тока; Иногда это достигается заменой некоторых диодов в мостовом выпрямителе тиристорами, то есть диодами, выходное напряжение которых можно регулировать путем включения и выключения с помощью контроллеров с фазным зажиганием.
Тиристоры используются в различных классах систем железнодорожного подвижного состава для обеспечения точного управления тяговыми двигателями. Тиристоры отключения затвора используются для выработки переменного тока от источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей.

7 Ректификационные технологии

7.1 Электромеханический

Примерно до 1905 года, когда были разработаны ламповые выпрямители, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию.В системах механического выпрямления использовалась некоторая форма вращения или резонансной вибрации (например, вибраторы), приводимые в действие электромагнитами, которые приводили в действие переключатель или коммутатор для изменения направления тока.
Эти механические выпрямители были шумными и требовали больших затрат на техническое обслуживание. Подвижные части имели трение, что требовало смазки и замены из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к возникновению электрических дуг и искр, которые нагревали и разъедали контакты. Они также не могли работать с частотами переменного тока выше нескольких тысяч циклов в секунду.

7.1.1 Синхронный выпрямитель

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может использоваться синхронный выпрямитель. Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в действие набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается в соответствии с частотой переменного тока и периодически меняет местами подключения к нагрузке в тот момент, когда синусоидальный ток проходит через нулевой уровень. Контакты не должны переключать на большой ток, но они должны быть способны передавать большой ток для питания тяговых двигателей постоянного тока локомотива.

7.1.2 Вибрационный выпрямитель

Зарядное устройство с вибратором 1922 года. Оно производило 6 А постоянного тока при 6 В для зарядки автомобильных аккумуляторов.

Они состояли из резонансного язычка, вибрирующего под действием переменного магнитного поля, создаваемого электромагнитом переменного тока, с контактами, которые меняли направление тока на отрицательных полупериодах. Они использовались в устройствах малой мощности, таких как зарядные устройства, для выпрямления низкого напряжения, создаваемого понижающим трансформатором. Другое применение было в источниках питания от батарей для портативных радиоприемников на электронных лампах, чтобы обеспечить высокое постоянное напряжение для ламп.Они работали как механическая версия современных твердотельных переключающих инверторов с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемым его магнитным полем, для многократного прерывания тока батареи постоянного тока для создания импульсный переменный ток для питания трансформатора. Затем второй набор контактов выпрямителя на вибраторе выпрямляет высокое переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора до постоянного тока.

7.1.3 Мотор-генераторная установка

Малогабаритный мотор-генератор

Мотор-генераторная установка или аналогичный вращающийся преобразователь не является строго выпрямителем, поскольку на самом деле не выпрямляет ток , а скорее генерирует постоянного тока из источника переменного тока.В «наборе M-G» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока. Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в своих обмотках якоря, которые коммутатор на валу якоря преобразует в выход постоянного тока; или униполярный генератор вырабатывает постоянный ток без необходимости в коммутаторе. Наборы M-G полезны для производства постоянного тока для тяговых двигателей железных дорог, промышленных двигателей и других сильноточных приложений и были распространены во многих мощных D.C. использует (например, угольно-дуговые лампы для проекторов для уличных театров) до того, как мощные полупроводники стали широко доступны.

7.2 Электролитический

Электролитический выпрямитель – это устройство начала двадцатого века, которое больше не используется. Самодельная версия проиллюстрирована в книге The Boy Mechanic 1913 года, но она подходит только для использования при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током. Более сложное устройство такого типа было запатентовано Г.У. Карпентером в 1928 г. (Патент США 1671970).
Когда два разных металла находятся во взвешенном состоянии в растворе электролита, постоянный ток, протекающий в одном направлении через раствор, испытывает меньшее сопротивление, чем в другом направлении. В электролитических выпрямителях чаще всего используются алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, суспендированные в растворе ортофосфата аммония.
Выпрямляющее действие происходит из-за тонкого покрытия гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, образованного сначала путем подачи сильного тока на элемент для создания покрытия.Процесс ректификации чувствителен к температуре и для достижения максимальной эффективности не должен работать при температуре выше 86 ° F (30 ° C). Также существует пробивное напряжение в местах проникновения покрытия и короткого замыкания ячейки. Электрохимические методы часто более хрупкие, чем механические, и могут быть чувствительны к вариациям в использовании, которые могут резко изменить или полностью нарушить процессы ректификации.
Подобные электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов примерно в ту же эпоху, подвешивая множество алюминиевых конусов в резервуаре с раствором ортофосфата аммония.В отличие от выпрямителя, описанного выше, использовались только алюминиевые электроды, которые использовались на переменном токе, не было поляризации и, следовательно, действия выпрямителя, но химический состав был аналогичным.
Современный электролитический конденсатор, важный компонент большинства схем выпрямителя, также был разработан на основе электролитического выпрямителя.

7.3 Тип плазмы

Развитие ламповой технологии в начале 20 века привело к изобретению различных ламповых выпрямителей, которые в значительной степени заменили шумные и неэффективные механические выпрямители.

7.3.1 Меркурий-дуга

Ранний трехфазный промышленный выпрямитель паров ртути

Ртутно-дуговый клапан 150 кВ на гидроэлектростанции Манитоба, Рэдиссон, Канада, преобразовал гидроэнергетику переменного тока в постоянный ток для передачи в отдаленные города.

Выпрямитель, используемый в системах электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и промышленной обработке в период с 1909 по 1975 год, представляет собой ртутно-дуговый выпрямитель или ртутно-дуговый клапан . Устройство заключено в выпуклый стеклянный сосуд или большую металлическую ванну.Один электрод, катод, погружен в резервуар с жидкой ртутью на дне резервуара, а один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых анодами, подвешены над резервуаром. Для зажигания и поддержания дуги может быть несколько вспомогательных электродов. Когда между катодной ванной и подвешенными анодами возникает электрическая дуга, поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, но не наоборот (в принципе, это более мощный аналог выпрямления пламенем, который использует те же свойства односторонней передачи тока, что и плазма, естественно присутствующая в пламени).
Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности в сотни киловатт и могут быть сконструированы для обработки от одной до шести фаз переменного тока. Ртутно-дуговые выпрямители были заменены кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями и мощными тиристорными схемами в середине 1970-х годов. Самые мощные из когда-либо построенных ртутно-дуговых выпрямителей были установлены в проекте HVDC Manitoba Hydro Nelson River Bipole с суммарной мощностью более 1 ГВт и 450 кВ.

7.3. 2 Электронная трубка на газе аргоне

Тунгарские лампочки 1917 г., 2 ампера (слева) и 6 ампер

Выпрямитель General Electric Tungar представлял собой пары ртути (напр.: 5B24) или аргоновое (например: 328) устройство с газовой электронной лампой с катодом из вольфрамовой нити и угольным анодом. Он работал так же, как термоэмиссионный диод на вакуумной трубке, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее падение прямого напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств аккумуляторов и аналогичных приложений с 1920-х годов, пока его не вытеснили более дешевые металлические выпрямители, а позже и полупроводниковые диоды. Они были рассчитаны на несколько сотен вольт и несколько ампер и по некоторым размерам сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.
0Z4 представлял собой газонаполненную выпрямительную трубку, которая широко использовалась в автомобильных радиоприемниках с электронными лампами в 1940-х и 1950-х годах. Это была обычная двухполупериодная выпрямительная лампа с двумя анодами и одним катодом, но ее уникальность заключалась в том, что в ней не было нити накала (отсюда «0» в ее типовом номере). Электроды имели такую ​​форму, что обратное напряжение пробоя было намного выше, чем прямое напряжение пробоя. Как только напряжение пробоя было превышено, 0Z4 переключился в состояние с низким сопротивлением с прямым падением напряжения около 24 В.

7,4 Диодная вакуумная трубка (вентиль)

Термоэмиссионный ламповый диод, первоначально называвшийся клапаном Флеминга, был изобретен Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году в качестве детектора радиоволн в радиоприемниках и превратился в обычный выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накала, нагреваемой отдельным током, и анода из металлической пластины. Нить накала испускала электроны за счет термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), открытого Томасом Эдисоном в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызывало ток электронов через трубку от волокна к пластине.Поскольку только нить накала генерирует электроны, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке выпрямлять переменный ток.
Вакуумные диодные выпрямители широко использовались в источниках питания в электронных устройствах с электронными лампами, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например, радиоприемник All American Five, для обеспечения высокого напряжения постоянного тока на пластине, необходимого для других электронных ламп. «Двухполупериодные» версии с двумя отдельными пластинами были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным отводом для создания двухполупериодного выпрямителя.Вакуумные выпрямители были изготовлены для очень высоких напряжений, такие как источник высокого напряжения для электронно-лучевой трубки телевизионных приемников и кенотрон, используемый для питания в рентгеновском оборудовании. Однако по сравнению с современными полупроводниковыми диодами вакуумные выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за объемного заряда и, следовательно, высокие падения напряжения, вызывающие большое рассеивание мощности и низкий КПД. Они редко могут выдерживать токи, превышающие 250 мА из-за ограничений рассеиваемой мощности на пластинах, и не могут использоваться для устройств с низким напряжением, таких как зарядные устройства для аккумуляторов.Еще одним ограничением лампового выпрямителя является то, что источник питания нагревателя часто требует специальных приспособлений для изоляции его от высоких напряжений в цепи выпрямителя.
При усилении музыкальных инструментов (особенно для электрогитар) небольшая задержка или «провисание» между усилением сигнала (например, когда гитарный аккорд сильно и быстро ударяется по гитарному аккорду) и соответствующим увеличением выходного напряжения является заметным эффектом лампового выпрямление и приводит к сжатию. Выбор между ламповым выпрямлением и диодным выпрямлением – дело вкуса; в некоторых усилителях есть и то, и другое, что позволяет игроку выбирать.

7,5 Твердотельный

7.5.1 Кристаллический детектор

Детектор усов кошки Galena

Детектор кошачьих усов был первым типом полупроводниковых диодов. Он состоял из кристалла какого-то полупроводникового минерала, обычно галенита (сульфида свинца), с легкой пружинистой проволокой, касающейся его поверхности. Изобретенный Джагадишем Чандрой Босом и разработанный Дж. У. Пикардом около 1906 года, он служил выпрямителем радиоволн в первых широко используемых радиоприемниках, названных кристаллическими радиоприемниками.Его хрупкость и ограниченный ток сделали его непригодным для источников питания. Он устарел примерно в 1920 году, но более поздние версии служили микроволновыми детекторами и смесителями в радиолокационных приемниках во время Второй мировой войны.

7.5.2 Выпрямители из оксида селена и меди

Когда-то распространенные, пока не были заменены более компактными и менее дорогостоящими кремниевыми твердотельными выпрямителями в 1970-х годах, в этих устройствах использовались стопки металлических пластин и использовались полупроводниковые свойства оксида селена или меди.Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньше энергии, чем сопоставимые ламповые выпрямители, они обладали недостатком в виде конечного срока службы, увеличения сопротивления с возрастом и подходили для использования только на низких частотах. Выпрямители из оксида селена и меди несколько лучше выдерживают кратковременные переходные процессы напряжения, чем кремниевые выпрямители.
Обычно эти выпрямители состояли из стопок металлических пластин или шайб, скрепляемых центральным болтом, причем количество стопок определялось напряжением; каждая ячейка была рассчитана примерно на 20 В.Выпрямитель автомобильного зарядного устройства может иметь только одну ячейку: высоковольтный источник питания для вакуумной лампы может иметь несколько десятков установленных друг на друга пластин. Плотность тока в селеновой батарее с воздушным охлаждением составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).

7.5.3 Кремниевые и германиевые диоды

В современном мире кремниевые диоды являются наиболее широко используемыми выпрямителями для более низких напряжений и мощностей и в значительной степени заменили более ранние германиевые диоды.Для очень высоких напряжений и мощностей дополнительная потребность в управляемости на практике привела к замене простых кремниевых диодов мощными тиристорами (см. Ниже) и их более новыми аналогами с активным управлением затвором.

7.5.4 Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые кремниевые преобразователи напряжения

Два из трех блоков тиристорных клапанов большой мощности, используемых для передачи электроэнергии на большие расстояния от плотин Манитобы. Сравните с ртутно-дуговой системой на том же участке плотины, приведенном выше.

В приложениях большой мощности с 1975 по 2000 годы большинство дуговых выпрямителей с ртутным вентилем были заменены пакетами из тиристоров очень большой мощности, кремниевыми устройствами с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.
В системах передачи средней мощности даже более сложные и изощренные кремниевые полупроводниковые выпрямительные системы с преобразователем напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры отключения затвора (GTO), уменьшили мощность постоянного тока высокого напряжения системы передачи экономичные.Все эти устройства работают как выпрямители.
По состоянию на 2009 год ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующиеся переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называемый интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будут увеличены в масштабе в номинальной мощности до такой степени, что они в конечном итоге заменят простые тиристорные системы выпрямления переменного тока для приложений постоянного тока с самой высокой передачей мощности.

8 Текущие исследования

Текущие исследования

Основной областью исследований является разработка высокочастотных выпрямителей, способных выпрямлять терагерцовые и световые частоты.Эти устройства используются для обнаружения оптических гетеродинов, которые находят множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах. Другое перспективное применение таких устройств – прямое выпрямление световых волн, улавливаемых крошечной антенной, называемой нанотеннами, для выработки электроэнергии постоянного тока. Считается, что массивы нанотенн могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии, чем солнечные элементы.
Связанная с этим область исследований – разработка выпрямителей меньшего размера, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частоту среза.В исследовательских проектах делается попытка разработать мономолекулярный выпрямитель – единственную органическую молекулу, которая могла бы функционировать как выпрямитель.

9 Ссылки

Выпрямительный диод (кремниевый выпрямитель) и соответствующее монтажное оборудование. Тяжелая шпилька с резьбой прикрепляет устройство к радиатору для отвода тепла.

Diode Rectifiers FW – Power Electronics Вопросы и ответы

Этот набор вопросов и ответов с возможностью выбора нескольких вариантов (MCQ) для силовой электроники посвящен «однофазным диодным выпрямителям FW-1».

1. Для однофазного двухполупериодного диодного выпрямителя со средней точкой требуется __________ количество диодов, тогда как для мостового типа требуется _________
a) 1,2
b) 2,4
c) 4,8
d) 3,2
Просмотреть ответ

Ответ: b
Объяснение: Для мостового типа требуется 4 диода, соединенных в мост, а средняя точка имеет 2 диода.

2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель – это
a) одноимпульсный выпрямитель
b) многоимпульсный выпрямитель
c) двухимпульсный выпрямитель
d) трехимпульсный выпрямитель
Посмотреть ответ

Ответ: c
Объяснение: Это двухимпульсный выпрямитель, так как он генерирует 2 импульса за цикл.

3. Показанная ниже схема соответствует схеме

a) двухполупериодное соединение типа B-2
b) двухполупериодное соединение типа M-2
c) полуволновое соединение типа B-2
d) полуволновое соединение M-2 тип подключения
Посмотреть ответ

Ответ: b
Пояснение: Двухполупериодный тип M-2 использует трансформатор и два диода.

4. В однофазном двухполупериодном мостовом выпрямителе с типом подключения М-2 имеется вторичное напряжение Vs = Vm sin ωt, с нагрузкой R и идеальными диодами.
Выражение для среднего значения выходного напряжения можно представить как
a) 2Vm / π
b) Vm / π
c) Vm / √2
d) 2Vm / √2
Посмотреть ответ

Ответ: a
Пояснение: Форма волны напряжения представляет собой пульсирующее напряжение с пиковым значением Vm и симметричным относительно π.
Vo = (1 / π) ∫ ^π Vm sinωt d (ωt)

5. Показанная ниже схема соответствует схеме

a) двухполупериодное соединение типа B-2
b) двухполупериодное соединение типа M-2
c) полуволновое соединение типа B-2
d) полуволновое соединение B-2 тип подключения
Посмотреть ответ

Ответ: a
Объяснение: Двухполупериодный тип B-2 использует 4 диода в мостовом соединении.

6. В однофазном двухполупериодном мостовом выпрямителе с типом подключения М-2 имеется вторичное напряжение Vs = Vm sin ωt,
с нагрузкой R и идеальными диодами.
Выражение для среднеквадратичного значения выходного напряжения можно представить как
a) Vm / π
b) Vm / √2
c) Vm
d) Vm ²
Посмотреть ответ

Ответ: b
Пояснение: Форма волны напряжения представляет собой пульсирующее напряжение с пиковым значением Vm &, симметричным относительно π.
Vo = (1 / π) ∫ ^π Vm ² sin ² ωt d (ωt) = Vm / √2.

7. Для схемы, показанной ниже, найдите мощность, подаваемую на нагрузку R

Где
Vs = 230V
Vs – среднеквадратичное значение вторичного напряжения одной обмотки.
R = 1 кОм
a) 46 Вт
b) 52,9 Вт
c) 67,2 Вт
d) 69 Вт
Просмотр ответа

Ответ: b
Пояснение: Подаваемая на нагрузку мощность составляет V (среднеквадратичное значение) .I (действующее значение) = V (среднеквадратичное значение) ² / R
Где для данной цепи V (среднеквадратичное значение) = Vs.

8. PIV, испытываемый диодами в конфигурации среднего типа, составляет
a) Vm
b) 2Vm
c) 4Vm
d) Vm / 2
Посмотреть ответ

Ответ: b
Пояснение: в m- 2 типа подключения, каждый диод испытывает обратное напряжение 2 Вм.

9. Для схемы, показанной ниже, найдите значение среднего выходного тока.

Где
Vs = 230V
R = 1KΩ
Vs – среднеквадратичное значение вторичного напряжения одной обмотки.
a) 100 мА
b) 107 мА
c) 200 мА
d) 207 мА
Посмотреть ответ

Ответ: d
Пояснение: I = Vo / R
Vo = 2Vm / π.

10. Пусть в схеме Im будет пиковым значением синусоидального тока источника. Среднее значение тока диода для приведенной ниже конфигурации составляет

a) Im
b) Im / 2
c) Im / π
d) Im / √2
Посмотреть ответ

Ответ: b
Пояснение: Пик ток через диоды такой же, как у нагрузки.Каждая пара диодов имеет токопроводимость на 180 градусов. Следовательно, 1/2 цикла. Средний ток = Im / 2.

Sanfoundry Global Education & Learning Series – Силовая электроника.

Чтобы практиковаться во всех областях силовой электроники, представляет собой полный набор из 1000+ вопросов и ответов с несколькими вариантами ответов .

Примите участие в конкурсе сертификации Sanfoundry, чтобы получить бесплатную Почетную грамоту. Присоединяйтесь к нашим социальным сетям ниже и будьте в курсе последних конкурсов, видео, стажировок и вакансий!

Inderscience Publishers – связывающие научные круги, бизнес и промышленность посредством исследований

Критически важные сотрудники из самых разных секторов и отраслей, от здравоохранения и образования до производства и розничной торговли, столкнулись с тяжелыми временами в течение многих месяцев пандемии COVID-19.Новое исследование, опубликованное в Международном журнале по человеческому фактору и эргономике , рассматривает тяжелое положение операторов диспетчерских в нефтегазовой и нефтехимической промышленности и психологическую усталость, с которой многие такие работники столкнулись во время пандемии.

Будиянто Сойнангун, Иван Новендри, Джака Матсана, Фергьянто Э. Гунаван, Мухаммад Асрол и A.A.N. Первира Реди из факультета промышленной инженерии Университета Бина Нусантара в Джакарте, Индонезия, объясняет, как предприятия нефтехимической промышленности должны работать непрерывно и поэтому полагаться на посменную работу сотрудников.Однако появление нового коронавируса SARS-CoV-2 в конце 2019 года и возникшая пандемия означали, что такие меры, как социальное дистанцирование, изоляция, карантин и самоизоляция, должны были быть инициированы во многих частях мира. чтобы замедлить распространение болезни. В результате возникли серьезные проблемы во многих секторах, особенно в тех отраслях, которые должны работать постоянно.

Команда осознала, что в такой отрасли пандемия вполне может иметь серьезные психологические последствия для ее работников.Таким образом, они провели исследования для измерения качества и количества сна, когнитивных способностей и случаев утомления среди рабочих нефтехимии и связанных с ними несчастных случаев.

Результаты показывают, что многие операторы диспетчерских спали меньше во время пандемии, а их качество сна было более низким, чем до COVID-19. Исследователи также обнаружили, что когнитивные способности были ниже, о чем свидетельствует увеличение в среднем почти на 15% количества срабатываний сигналов тревоги, чем до пандемии.Однако в компаниях, которые адаптировались к так называемой «новой норме» пандемического мира, количество инцидентов и несчастных случаев со временем постепенно уменьшалось, поскольку они вводили новые меры контроля и мониторинга.

Что касается психологического благополучия рабочих, то для них тоже необходимы новые меры. Меры по мониторингу самочувствия, а также консультации с независимым экспертом улучшат ситуацию для перенапряженных работников, страдающих от плохого сна и проблем с психическим здоровьем.Кроме того, компания предлагает своим работникам доступ к оборудованию для физических упражнений.

Сойнангун, Б., Новендри, И., Матсана, Дж., Гунаван, Ф.Э., Асрол, М. и Реди, A.A.N.P. (2021) «Влияние пандемии COVID-19 на психологическую усталость операторов диспетчерских в нефтегазовой и нефтехимической промышленности», Int. J. Человеческий фактор и эргономика, Vol. 8, No. 4, pp.393–407.
DOI: 10.1504 / IJHFE.2021.119052

7 Разница между выпрямителем с центральным отводом и мостовым выпрямителем

Процесс преобразования переменного тока в постоянный: называется ректификацией . Выпрямление может быть достигнуто за счет использования одного диода или группы диодов. Эти Диоды, преобразующие переменный ток в постоянный, называются выпрямителями .

Выпрямители

обычно делятся на два типа: Включите полуволновой выпрямитель и двухполупериодный выпрямитель. Все эти выпрямители имеют общую цель: для преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC). выпрямители делятся на два типа:

• Центр двухполупериодный выпрямитель с отводом
• Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Что такое выпрямитель с центральным отводом?

Центральный отвод полностью волновой выпрямитель – это тип выпрямителя, в котором используется центральный отводной трансформатор и два диода для преобразования полного сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока. Нагрузочный резистор, источник переменного тока, два диода и трансформатор с центральным ответвлением являются основными компонентами полного волновой выпрямитель.

Трансформатор с центральным ответвлением используется для преобразования входного Напряжение переменного тока преобразуется в выходное напряжение постоянного тока и, следовательно, когда входное напряжение переменного тока применяется вторичная обмотка трансформатора с центральным ответвлением. входное переменное напряжение на две части; положительный и отрицательный. Главное преимущество Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом – это то, что он пропускает электрический ток во время как положительные, так и отрицательные полупериоды входного сигнала переменного тока.Более что важно, выход постоянного тока двухполупериодного выпрямителя с центральным ответвлением состоит из меньше ряби. Плавность выходного сигнала постоянного тока измеряется с помощью коэффициент, называемый коэффициентом пульсации .

Однако главный недостаток полной волны с отводом по центру выпрямитель заключается в том, что трансформатор с центральным ответвлением очень дорогой и занимает большое пространство.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом

Что вам нужно Знайте о выпрямителе с центральным отводом

1. Выпрямитель с центральным отводом, как следует из названия требуется трансформатор с центральным ответвлением (вторичная обмотка).
2. Пиковое обратное напряжение (PIV) диода в Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением в два раза больше клеммы вторичной обмотки трансформатора Напряжение.
3. Выпрямитель с центральным ответвлением использует только два диода в его схема.
4. Коэффициент использования трансформатора (TUF) равен равно 0,672
5. Падение напряжения на двух диодах в центре выпрямитель с ответвлениями меньше по сравнению с мостовым выпрямителем.
6. Требуемый трансформатор с центральным отводом выпрямитель больше, чем требуется в мостовом выпрямителе по кВА рейтинг.
7. Трансформатор с центральным ответвлением экономичен. эффективен, поскольку в его цепи используются только два диода.

Что такое мостовой выпрямитель?

Мостовой выпрямитель это тип двухполупериодного выпрямителя, в котором используется четыре или более диодов в мосте. конфигурация схемы для эффективного преобразования переменного тока (AC) в Постоянный ток (DC). Мостовые выпрямители широко используются в источниках питания, обеспечить необходимое постоянное напряжение для электронных компонентов или устройств.

Выпрямительный КПД мостового выпрямителя почти равен соответствует двухполупериодному выпрямителю с отводом по центру. Единственный минус бриджа выпрямитель над двухполупериодным выпрямителем с отводом по центру входит в стоимость настраивать.

Основное отличие мостового выпрямителя от центрального двухполупериодный выпрямитель с ответвлениями состоит в том, что мостовой выпрямитель производит почти вдвое больше выходное напряжение с использованием того же вторичного напряжения.

Мостовой выпрямитель

Что вам нужно Знайте о мостовом выпрямителе

1. Трансформатор с центральным ответвлением не требуется. мостовой выпрямитель.
2. Пиковое обратное напряжение PIV диода равно трансформатор вторичного напряжения. Таким образом, этот тип выпрямителя можно использовать для приложение высокого напряжения.
3. Мостовой выпрямитель использует четыре диода в своей схема. Это приводит к увеличению сложности схемы в случае мостовой выпрямитель.
4. Коэффициент использования трансформатора (TUF) равен равно 0,810 для мостового выпрямителя.
5. Падение напряжения на 4 диодах моста выпрямителя больше, чем падение напряжения на выпрямителе с отводом от центра.
6. В мостовом выпрямителе требуется трансформатор. меньше, чем требуется для выпрямителя с центральным отводом, с точки зрения номинальной мощности в кВА.
7. Мостовой выпрямитель экономически неэффективен так как он использует в своей цепи четыре диода.

Также читайте : Разница между полуволновым и полноволновым выпрямителем

Разница Между центральным отводом и мостовым выпрямителем в табличной форме

ОСНОВА КОРРУПЦИИ	ВЫПРЯМИТЕЛЬ С ЦЕНТРАЛЬНЫМ НАКОНЕЧНИКОМ	МОСТ ВЫПРЯМИТЕЛЬ
Описание	Выпрямитель с отводом по центру, как следует из названия, требует наличия центра трансформатор с ответвлениями (вторичная обмотка).	Для мостового выпрямителя не требуется трансформатор с ответвлением от средней точки.
Пиковое обратное напряжение	Пиковое обратное напряжение (PIV) диода в двухполупериодной полосе с отводом по центру выпрямитель в два раза больше напряжения вторичной обмотки трансформатора.	Пиковое обратное напряжение PIV диода равно трансформатору вторичное напряжение. Таким образом, этот тип выпрямителя может использоваться для высокого напряжения. заявление.
Количество диодов	Выпрямитель с центральным ответвлением использует в своей цепи только два диода.	Мостовой выпрямитель использует в своей цепи четыре диода. Этот результат приращение сложности схемы в случае мостового выпрямителя.
Коэффициент использования трансформатора (TUF)	Коэффициент использования трансформатора (TUF) равен 0,672.	Коэффициент использования трансформатора (TUF) равен 0,810 для моста выпрямитель.
Падение напряжения на	Падение напряжения на двух диодах выпрямителя с центральным ответвлением меньше по сравнению с мостовым выпрямителем.	Падение напряжения на 4 диодах мостового выпрямителя более падение напряжения на выпрямителе с отводом по центру.
Размер трансформатора (кВА рейтинг)	Требуемый в мостовом выпрямителе трансформатор меньше этого Требуется для выпрямителя с центральным отводом с точки зрения номинальной мощности в кВА.	Требуемый в мостовом выпрямителе трансформатор меньше этого Требуется для выпрямителя с центральным отводом с точки зрения номинальной мощности в кВА.
Экономическая эффективность	Трансформатор с центральным ответвлением экономически эффективен, поскольку он использует всего два диода в его цепи.	Мостовой выпрямитель экономически неэффективен, так как он использует четыре диоды в его цепи.

Также читайте: Разница между зажимом и клипсатором

Сводка

с резьбой по центру Выпрямитель

• Количество необходимых диодов: 2
• Требования к трансформатору: С отводом по центру
• Среднее значение тока, Idc: 2lmax / pi
• Действующее значение тока, Irms: Imax / квадратный корень (2) .
• Пиковое обратное напряжение (PIV): 2Vmax
• Пиковый ток нагрузки, Imax: Vmax / (Rload + Rf)
• Выходное напряжение постоянного тока, Vdc: Idc xRload
• Эффективность выпрямления (макс.) 81,2%
• Коэффициент пульсаций: 0,482
• Основная частота пульсаций: 2f
• Регулирование напряжения: лучше
• Коэффициент использования трансформатора: 0,692
• Форм-фактор .11
• Пик-фактор: Sqr root (2)

Преимущества A Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

• Требуется только два диода, поэтому его схема не такая уж и сложная.

Недостатки Выпрямители с центральным отводом

• Обмотки трансформатора с центральным ответвлением должны быть плотно соединены, чтобы избежать скачков напряжения, когда каждый транзистор (на стороне с центральным отводом) отключается.

Мостовой выпрямитель

• Количество диодов: 4
• Требования к трансформатору: Не требуется
• Среднее значение тока, Idc: 2lmax / pi
• Действующее значение тока, Irms: Imax / sqr root (2)
• Пиковое обратное напряжение (PIV): Vmax
• Пиковый ток нагрузки, Vdc : Idc X Rload
• Эффективность выпрямления (макс.): 81.2%
• Коэффициент пульсаций: 0,482
• Основная частота пульсаций: 2f
• Регулировка напряжения: Хорошее
• Коэффициент использования трансформатора: 0,812
• Пик-фактор 9: 203,11 : корень sqr (2).

Преимущества Мостовой выпрямитель

• Низкая пульсация выходного сигнала постоянного тока.
• Выпрямительный КПД мостового выпрямителя очень высокий по сравнению с однополупериодным выпрямителем.
• Низкие потери мощности
• Трансформатор с ответвлениями от средней точки не требуется.

Недостатки Мостовой выпрямитель

• Схема мостового выпрямителя очень сложна в природа. Требуется четыре диода.
• Потери мощности велики по сравнению с центром двухполупериодный выпрямитель с отводом.

% PDF-1.6 % 715 0 объект> эндобдж xref 715 75 0000000016 00000 н. 0000002340 00000 н. 0000002516 00000 н. 0000002644 00000 н. 0000003229 00000 н. 0000003452 00000 н. 0000003862 00000 н. 0000004318 00000 н. 0000004915 00000 н. 0000005365 00000 н. 0000005911 00000 н. 0000005995 00000 н. 0000006485 00000 н. 0000007087 00000 н. 0000007175 00000 н. 0000007288 00000 н. 0000007399 00000 н. 0000008516 00000 н. 0000009721 00000 н. 0000010906 00000 п. 0000012078 00000 п. 0000013006 00000 п. 0000013261 00000 п. 0000013558 00000 п. 0000014499 00000 п. 0000015373 00000 п. 0000016159 00000 п. 0000016275 00000 п. 0000016387 00000 п. 0000020923 00000 п. 0000025949 00000 п. 0000027025 00000 п. 0000027099 00000 п. 0000027195 00000 п. 0000027343 00000 п. 0000027420 00000 н. 0000027530 00000 п. 0000027826 00000 п. 0000027903 00000 п. 0000028191 00000 п. 0000028268 00000 п. 0000028534 00000 п. 0000028611 00000 п. 0000029130 00000 н. 0000029207 00000 п. 0000029733 00000 п. 0000034401 00000 п. 0000034662 00000 п. 0000034985 00000 п. 0000037374 00000 п. 0000037707 00000 п. 0000038121 00000 п. 0000038198 00000 п. 0000038512 00000 п. 0000038566 00000 п. 0000038681 00000 п. 0000038758 00000 п. 0000039068 00000 н. 0000039122 00000 п. 0000039237 00000 п. 0000039314 00000 п. 0000040374 00000 п. 0000040701 00000 п. 0000040735 00000 п. 0000040800 00000 п. 0000040915 00000 п. 0000040992 00000 п. 0000041305 00000 п. 0000041359 00000 п. 0000041474 00000 п. 0000041551 00000 п. 0000041865 00000 п. 0000041919 00000 п. 0000042034 00000 п. 0000001796 00000 н.