Схема однофазного однополупериодного выпрямителя: 26. Однофазный однополупериодный выпрямитель. Диаграммы и принцип работы. Основные параметры схемы.

Решенные все 35 билетов 2021 (теории + задач)

Физика

Вопрос 2. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Однофазный однополупериодный выпрямитель содержит один вентиль VD, включенный в цепь вторичной обмотки трансформатора Т последовательно с нагрузкой R_н (рис.4.2,а). Временные диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу выпрямителя на активную нагрузку без фильтра, представлены на рис.4.2,б. В первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора u₂=, когда оно положительно, диод VD открыт, т.к. на его аноде действует положительный потенциал. На этом интервале времени (0 – T/2) через нагрузку будет протекать ток , являющийся для диода прямым током. При этом u_в=0, u_н=u₂=. На втором полупериоде напряжение u₂ становится отрицательным, и диод закрывается под действием отрицательного потенциала на аноде диода. На этом интервале времени (T/2 – T) i_н=0, u_н=0, напряжение на вентиле u_в=u₂= будет являться обратным напряжением диода.

В результате такой работы вентиля ток через нагрузку будет протекать в течение только одного полупериода переменного напряжения u₂ и вызывать на нагрузке периодическое несинусоидальное напряжение u_н, среднее значение которого может быть определено

.

Средний ток через вентиль I_пр равен среднему току нагрузки I_пр=I_н.

Максимальное напряжение на закрытом вентиле

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

Недостатками однополупериодного выпрямителя являются большой уровень пульсаций выпрямленного напряжения, вынужденное намагничивание сердечника трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки, плохое использование трансформатора (S_Т=3,5P_н), низкие коэффициенты использования вентилей (K_I=I_{в. max}/I_н=p, K_U=U_обр.max/U_н=p), малый КПД выпрямителя h=0,481.

Однополупериодные выпрямители применяются для питания маломощных усилителей, электронно-лучевых трубок и в высоковольтных установках для испытания изоляции.

Вопрос 2. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель состоит из четырех вентилей, включенных по мостовой схеме (рис.4.3,а). К одной диагонали моста подано переменное напряжение u₂=, к другой – подключена нагрузка R_н. Временные диаграммы напряжений и токов представлены на рис.4.3,б. В первый полупериод напряжения u₂, когда потенциал на аноде VD1 положительный, диоды VD1 и VD3 открыты, и ток нагрузки протекает через VD1, R_н и VD3. В этом интервале времени u_н=u₂, диоды VD2 и VD4 закрыты и находятся под обратным напряжением. На втором полупериоде напряжение u₂ становится отрицательным, и диоды VD1 и VD3 будут теперь в закрытом состоянии находиться под обратным напряжением, а диоды VD2 и VD4 – открыты. Ток i_н будет протекать через VD2, VD4 и через нагрузку R_н в том же направлении, что и в предыдущий полупериод.

В результате такой попарной работы диодов ток в нагрузке будет протекать в течение двух полупериодов и вызывать напряжение u_н, среднее значение которого будет в два раза больше, чем при однополупериодном выпрямлении

; ; .

Так как пары диодов проводят ток нагрузки поочередно по полпериода, то прямой ток вентилей будет равен I_пр=0,5I_н.

Максимальное напряжение на закрытых вентилях

Расчетная мощность трансформатора

Двухполупериодный выпрямитель в сравнении с однополупериодным имеет следующие преимущества: выпрямленные ток и напряжение вдвое больше, значительно меньший уровень пульсаций u_н, вентили выбираются по половине тока нагрузки, хорошо используется трансформатор и отсутствует вынужденное подмагничивание его сердечника. Мостовая схема имеет преобладающее применение в выпрямителях небольшой и средней мощности.

Для оценки пульсаций выпрямленного напряжения пользуются понятием коэффициента пульсаций q, который равен отношению амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения к среднему значению: .

Вопрос 3. Сглаживающие фильтры.

Для уменьшения пульсаций выпрямленного напряжения применяют сглаживающие фильтры. Основными элементами пассивных фильтров являются реактивные элементы: конденсаторы и дроссели. На базе транзисторов и операционных усилителей выполняются более сложные активные фильтры. Эффективность фильтра характеризуется коэффициентом сглаживания, равным отношению коэффициентов пульсаций на входе и выходе фильтра

.

Емкостной фильтр состоит из конденсатора, подключаемого параллельно нагрузке, при этом напряжение u_н=u_C определяется процессами заряда и разряда конденсатора. В однополупериодном выпрямителе конденсатор C_ф будет заряжаться через вентиль,

если u₂>u_C (интервал времени t₁ – t₂ на рис. 4.4). Когда u₂<u_C (t₂ – t₃), вентиль закрыт, и конденсатор разряжается через сопротивление нагрузки R_н с постоянной времени t_р=C_фR_н; при этом .

Достоинством емкостного фильтра является простота, повышенное напряжение на нагрузке и хорошее сглаживание при малых выходных токах. С увеличением тока нагрузки при уменьшении R_н уменьшается постоянная разряда конденсатора и возрастает коэффициент пульсаций на нагрузке. Емкостной фильтр целесообразно использовать при высокоомной нагрузке с малым значением выпрямленного тока.

Индуктивный фильтр состоит из индуктивной катушки (дросселя), включаемой последовательно с нагрузкой. Дроссель с индуктивностью L_ф не оказывает сопротивления постоянной составляющей тока нагрузки, но подавляет переменные составляющие тока, для которых реактивное сопротивление катушки возрастает с увеличением частоты высших гармоник.

Недостатками индуктивных фильтров являются большие габариты и масса дросселя, поэтому применяются такие фильтры преимущественно в трехфазных выпрямителях большой и средней мощности при низкоомной нагрузке с большими значениями токов.

Для более эффективного сглаживания применяют составные или многозвенные фильтры, коэффициент сглаживания которых равен произведению коэффициентов сглаживания отдельных звеньев . К составным фильтрам можно отнести Г– и П-образные LC-фильтры (см. табл. 4.1).

Вопрос 3. Расчет выпрямителя.

Расчет выпрямителя сводится к выбору вентилей, определению типа и параметров фильтра и трансформатора. Исходными данными к расчету являются напряжение U₁=U_с и частота f₁ питающей сети, напряжение U_н и мощность P_н нагрузки.

Для надежной работы вентилей их выбирают из условия, чтобы среднее значение тока через открытый вентиль I_пр и максимальное обратное напряжение на закрытом вентиле U_{обр.mне превышали допустимый прямой ток вентиля Iпр.maxи обратное максимальное напряжение Uобр.max}

I_пр < I_{пр.max И Uобр.m < Uобр.max.}

I_пр и U_{обр.mрассчитываются из соотношений, приведенных в табл. 4.2 для соответствующей выпрямительной схемы, а Iпр.maxи Uобр.maxопределяются из справочника для выбираемых вентилей.}

Выбор трансформатора проводится по расчетной мощности S_т и коэффициенту трансформации  (см. табл. 4.2).

                                                        Таблица 4.1

При расчете фильтра известными являются: величина допустимого коэффициента пульсаций на нагрузке q_н=q_вых, коэффициент пульсаций выпрямителя q=q_вх, и соотношения определяемых параметров фильтра с его коэффициентом сглаживания (см. Табл. 4.1).

Вопрос 4. Характеристики выпрямителей.

Основной характеристикой выпрямителя является внешняя характеристика, которая показывает зависимость выходного напряжения от тока нагрузки U_н=f(I_н). Приблизительный расчет выходного напряжения выпрямителя с учетом внутреннего падения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, вентилях и элементах фильтра может быть выполнен по формуле:

,

где  – выходное напряжение выпрямителя в режиме холостого хода;

R_Т – сопротивление вторичной обмотки трансформатора;

R_пр – суммарное сопротивление открытых вентилей;

R_ф – суммарное сопротивление фильтра.

Контрольные вопросы

1. Объясните принцип действие выпрямителей.

2. Как влияет емкостный фильтр на величину обратного напряжения на вентиле?

3. Почему уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения при включении емкостного или индуктивного фильтра?

Бесплатная лекция: “27 Сретение Господне” также доступна.

4. Достоинства и недостатки разных типов фильтров.

5. Что такое коэффициент пульсаций и коэффициент сглаживания?

6. По каким критериям осуществляется выбор вентилей?

7. Как определяется мощность трансформатора в выпрямителях?

8. Как изменится форма напряжения на нагрузке при пробое одного вентиля в исследуемых выпрямителях?

naf-st >> Источники питания >> Неуправляемые выпрямители

Выпрямительные устройства относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока. Выпрямитель – это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее и назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Наиболее часто в выпрямителях применяются полупроводниковые диоды. Принцип выпрямления переменного напряжения основан на нелинейной ВАХ полупроводникового диода, у которого сопротивление в прямом и обратном включении p-n-перехода сильно отличаются.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Итак, начнем с однофазного однополупериодного выпрямителя на полупроводниковом диоде.

Рис. 1 – Схема однофазного однополупериодного выпрямителя и графики, поясняющие принцип ее работы

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами. Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Действующее значение входного напряжения

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

Коэффициент пульсаций

К достоинствам схемы можно отнести простоту конструкции. Недостатки – большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД. Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям.

1. Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора.

Рис. 2 – Схема двуполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки и графики, поясняющие принцип ее работы

Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

U_ср = 0.9U_вх
U_вх = 1.11U_ср
I_ср = 0.9U_вх/R_н
I₂ = 0.78I_ср
p = 0.67

Достоинства: удвоенные значения U_ср и I_ср, вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой. Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

2. Мостовая схема

Рис. 3 – Мостовая схема выпрямления

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.

Трехфазные схемы выпрямления

Такие схемы часто применяются для получения напряжения большой мощности. Наиболее распространены следующие схемы:

1. Трехфазная однополупериодная схема выпрямления с нулевым выводом (схема Миткевича)

Рис. 4 – Трехфазный выпрямитель

Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки. Среднее значение выпрямленного напряжения U_ср = 1.17U_вх, обратное напряжение U_обр.max = 2.1U_ср, коэффициент пульсаций 0.25.

2. Трехфазная двуполупериодная схема выпрямления (схема Ларионова)

Рис. 5 – Трехфазная двуполупериодная схема выпрямления.

По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно: U_ср = 2.34U_вх, U_обр.max = 1.05U_ср, p = 0.057. Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за нессиметричности фазных питающих напряжений.

Однофазные управляемые выпрямители

Простейшей схемой выпрямителя является однофазная однополу­периодная схема. Выпрямители, позволяющие регулировать величину выпрямлен­ного напряжения в заданных пределах, называются управляемыми. Ре­гулировать величину выпрямленного напряжения можно двумя прин­ципиально различными способами:

1. Изменять каким-либо способом величину подводимого к вы­прямителю напряжения (например, с помощью автотрансформатора, ступенчато регулируемых трансформаторов, дросселей насыщения и др.).

2. Использовать в выпрямителях свойства управляемых вентилей (с полной или частичной управляемостью).

Наибольшее распространение в технике получили управляемые выпрямители, относящиеся ко второй группе. Их рассмотрению и будет посвящен данный раздел.

2.1. Однополупериодный управляемый выпрямитель

Простейшая схема однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя представлена на рис. 4.1а. Трансформатор Т играет двойную роль: он служит для подачи на вход выпрямителя напряжения U₂, соответствующего заданной величине выпрямленного напряжения U_d и обеспечивает гальваническую развязку цепи нагрузки и питающей сети.

В качестве силового вентиля в этой схеме выпрямления используется тиристор (вентиль с частичной управляемостью). Принципиально здесь можно использовать полностью управляемый вентиль (транзистор или двухоперационный тиристор), свойства последних позволяют их использовать только в вентильных преобразователях сравнительно небольшой мощности. Преобразователи средней и большой мощности обычно строятся на тиристорах.

а) б)

Рис. 4.1. Схемы однофазных управляемых выпрямителей

Как известно, для перевода тиристора в проводящее состояние необходимо выполнение одновременно двух условий: наличие положительного потенциала на аноде относительно катода U_ак; наличие в цепи управления тока i_у, достаточного для включе­ния тиристора при данной величине U_ак. Формирование тока управления осуществляется специальным устройством (системой управления) (СУ). В дальнейшем во всех схемах управления вентильных преобразователей система управления будет подразумеваться, но на рисунках изображаться не будет.

Благодаря односторонней проводимости тиристора ток в цепи нагрузки будет протекать только в течение одной половины периода напряжения на вторичной обмотке трансформатора, что определяет и название этой схемы. Соотношения между основными параметрами найдем при следующих допущениях:

1. Активным и индуктивным сопротивлениями обмоток трансформатора пренебрегаем.

2. Нагрузка имеет чисто активный характер.

3. Тиристор VS идеальный.

4. Током намагничивания трансформатора пренебрегаем.

5. Напряжение обмотки трансформатора синусоидально:

u₂ = .

Пусть в положительный полупериод напряжения u₂система управления СУ формирует сигнал на включение тиристора со сдвигом по фазе на угол α относительно точки 0. Тогда при допущениях, принятых ранее, ток в нагрузке будет протекать на интервале (α…π) под действием выпрямленного напряжения U_d(рис. 4.2б).

В точке π тиристор закроется, так как полярность напряжение u₂ изменится на противоположную, и снова тиристор сможет открыться только в точке (2π+α) (рис. 4.2б), когда система управления снова подаст сигнал на его включение.

Рис. 4.2. Временные диаграммы

Постоянная составляющая выпрямленного н при этом

.

Угол α, на который запаздывает включение тиристора VS относительно точки естественной коммутации, называется углом управления или углом включения тиристора.

Из рис. 4.2вследует, что в управляемом выпрямителе к тиристору, кроме обратного (запирающего) напряжения, прикладывается еще и прямое напряжение на участке [0…(2π + α)]:

U_{а max}= .

В частном случае, при α = 0 все электромагнитные процессы управляемых выпрямителей и основные расчетные соотношения аналогичны для соответствующих схем неуправляемых выпрямителей.

2.2. Двухполупериодный управляемый выпрямитель со средней точкой

Простейшая схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с нулевым выводом (со средней точкой) представлена на рис. 4.1б.

На рис. 4.3 приведены временные диаграммы напряжений, поясняющие работу однофазного управляемого выпрямителя со средней точкой при чисто активной нагрузке и угле управления a=45⁰.

Здесь u_2a, u_2b, − напряжения на вторичной стороне трансформатора;

u_y1, u_y2 − напряжения на управляющих электродах тиристоров VS1 и VS2;

u_da − выпрямленное напряжение на нагрузке;

u_v1 − напряжение на тиристоре VS1.

При изменении угла a будет изменяться время работы тиристоров и соответственно величина выпрямленного напряжения, среднее значение которого будет определяться выражением

,

где U_d0 − напряжение холостого хода при a=0.

Зависимость U_da=ƒ(a) называется регулировочной характеристикой. Регулировочная характеристика рассматриваемой схемы для случая чисто активной нагрузки представлена на рис. 4.4.

При увеличении тока нагрузки I_d выходное напряжение U_da выпрямителя будет уменьшаться вследствие падения напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и открытом тиристоре.

Зависимость U_da=ƒ(I_da) называется внешней характеристикой управляемого выпрямителя. Например, на рис. 4.5 приведены внешние характеристики при разных значениях a, наклон которых остается постоянным, т.к. потери напряжения в выпрямителе не зависят от угла управления α.

Рис. 4.3. Временные диаграммы

Узнать еще:

Типы выпрямителей переменного тока Какие бывают выпрямители? Основные характеристики выпрямителей.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

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

Для упрощения понимания работы схем выпрямления будем исходить из расчета, что выпрямитель работает на активную нагрузку.

На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.

Рисунок 1 – Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема – диод открыт, б) схема – диод закрыт, в) временные диаграммы работы

Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б).

Т.о. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 – отрицательным полюсом.

Рисунок 2 – Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема – выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы

Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.

Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций – 0,67.

спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от , применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

Схема состоит из шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 2.61, а): катодную – диоды VD1, VD3, VD5 и анодную VD2, VD4, VD6. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов, т.е. к диагонали выпрямленного моста. Схема подключается к трехфазной сети.

Рисунок 3 – Трехфазный мостовой выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

В каждый момент времени ток нагрузки протекает через два диода. В катодной группе в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 3, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал. Каждый из диодов работает в течение одной трети периода. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет всего 0,057.

Управляемыми выпрямителями – выпрямители, которые совместно с выпрямление переменного напряжения (тока) обеспечивают регулирование величины выпрямленного напряжения (тока).

Управляемые выпрямители применяют для регулирования частоты вращения двигателей постоянного тока, яркости свечения ламп накаливания, при зарядке аккумуляторных батарей и т.п.

Схемы управляемых выпрямителей строятся на тиристорах и основаны на управлении моментом открытия тиристоров.

На рисунке 4,а представлена схема однофазного управляемого выпрямителя. Для возможности выпрямления двух полуволн сетевого напряжения используется трансформатор с двухфазной вторичной обмоткой, в которой формируется два напряжения с противоположными фазами. В каждую фазу включается тиристор. Положительный полупериод напряжения U2 выпрямляет тиристор VS1, отрицательный – VS2.

Схема управления СУ формирует импульсы для открывания тиристоров. Время подачи открывающих импульсов определяет, какая часть полуволны выделяется на нагрузке. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и открывающего импульса на управляющем электроде.

Если импульс приходит в момент времени t0 (рис. 4,б) тиристор открыт в течении всего полупериода и на нагрузке максимальное напряжение, если в моменты времени t1, t2, t3, то только часть сетевого напряжения выделяется в нагрузке.

Рисунок 4 – Однофазный выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания тиристора, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. Изменяя угол α (сдвиг по фазе управляющих импульсов относительно напряжения на анодах тиристоров), мы изменяться время открытого состояния тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение на нагрузке.

Ртутный выпрямитель

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

Применение

Выпрямление электрического тока

Выпрямители обычно используются там, где нужно преобразовать переменный ток в постоянный ток. Применение выпрямителей для преобразования переменного тока в постоянный вызвало понятие среднего значения тока по модулю (т. е. без учета знака ординаты) за период. При двухполупериодном выпрямлении среднее значение по модулю определяется как среднеарифметическое значение всех ординат обеих полуволн за целый период без учета их знаков (т. е. полагая все ординаты за период положительными, что и имеет место при двухполупериодном идеальном выпрямлении).

Приемниками электроэнергии с нелинейными характеристиками являются в первую очередь всевозможные преобразовательные установки переменного тока в постоянный, использующие различные вентили.

Сюда относятся выпрямительные установки для:

• железнодорожной тяги
• городского электротранспорта
• электролиза (производство алюминия, хлора, едкого натра и др.)
• питания приводов прокатных станов
• возбуждения генераторов электростанций

В качестве вентилей до последнего времени использовались в основном ртутные выпрямители (неуправляемые и управляемые). В настоящее время широкое применение находят преимущественно кремниевые полупроводниковые выпрямители. Внедряются тиристорные выпрямители.

Обычно выпрямительные установки выполняются большой мощности и присоединяются через специальные трансформаторы к питающей сети на напряжении 6 – 10 кВ. Выпрямительные установки небольшой мощности выполняются по трехфазной схеме с нулевым выводом.

Блоки питания аппаратуры

• Преобразователи бортового электроснабжения постоянного тока автономных транспортных средств: автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной и другой техники.

Генерация электроэнергии на транспортном средстве обычно производится генератором переменного тока, но для питания бортовой аппаратуры необходим постоянный ток. Например, в легковых автомобилях применяются электромеханические или полупроводниковые выпрямители.

Сварочные аппараты

В сварочных аппаратах постоянного тока применяются чаще всего мостовые схемы на мощных кремниевых выпрямительных диодах – вентилях, с целью получения постоянного сварочного напряжения и тока. Он отличается от переменного тем, что при использовании его сильнее нагревается область дуги около положительного (+) её полюса, что позволяет либо осуществлять щадящую сварку свариваемых деталей преимущественно плавящимся сварочным электродом, либо экономить электроды, осуществляя резку металла электродуговой сваркой.

Вентильные блоки преобразовательных подстанций систем энергоснабжения

• Для питания главных двигателей постоянного тока прокатных станов, кранов и другой техники

Энергоснабжение заводов осуществляется электросетью переменного тока, но для приводов прокатных станов и других агрегатов выгоднее использовать двигатели постоянного тока по той же причине, что и для двигателей транспортных средств.

• Для гальванических ванн (электролизёров) для получения цветных металлов и стали , нанесения металлических покрытий и гальванопластики.

• Установки электростатической очистки промышленных газов (электростатический фильтр)

• Установки очистки и обессоливания воды

• Для электроснабжения контактных сетей электротранспорта постоянного тока (трамвай , троллейбус , электровоз , метро)

Выпрямители высокочастотных колебаний

• в перспективных системах сбора энергии окружающих шумовых электромагнитных сигналов.
• в перспективных системах беспроводной передачи электроэнергии .

Детектирование высокочастотного сигнала

Допущения: нагрузка чисто активная, вентиль – идеальный электрический ключ.

Напряжение со вторичной обмотки трансформатора проходит через вентиль на нагрузку только в положительные полупериоды переменного напряжения. В отрицательные полупериоды вентиль закрыт, всё падение напряжения происходит на вентиле, а напряжение на нагрузке Uн равно нулю.

Эта величина вдвое меньше, чем в полномостовом.

• Большая величина пульсаций
• Сильная нагрузка на вентиль (требуется диод с большим средним выпрямленным током)
• Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45) (не путать с КПД, который зависит от потерь в меди и потерь в стали и в однополупериодном выпрямителе почти такой же, как и в двухполупериодном).

Преимущество: экономия на количестве вентилей.

Полумост

На двух диодах и двух конденсаторах, широко известный как «с удвоением напряжения» или «удвоитель Латура – Делона – Гренашера».

Известна также схема с удвоением тока: параллельно единственной вторичной обмотке трансформатора включаются два последовательно соединённых дросселя, средняя точка соединения между которыми используется как средняя точка в «двухполупериодном выпрямителе со средней точкой».

Полный мост (Гретца)

На четырёх диодах, широко известный как «двухполупериодный», изобретён немецким физиком Лео Гретцем .

Средняя ЭДС равна то есть вдвое больше, чем в четвертьмостовом.

Эквивалентное внутреннее активое сопротивление равно .

Ток в нагрузке равен

Мощность в нагрузке равна

Наибольшее мгновенное значение напряжения на диодах –

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 180°

Два четвертьмоста параллельно (“двухполупериодный со средней точкой”)

Широко известный как «двухполупериодный со средней точкой». Предложил в 1901 г. профессор Миткевич В. Ф. . В этом выпрямителе две противофазных обмотки создают двухфазный переменный ток со сдвигом между фазами 180 угловых градусов. Двухфазный переменный ток выпрямляется двумя однополупериодными четвертьмостовыми выпрямителями, включенными параллельно и работающими на одну общую нагрузку. Является почти аналогом полномостового выпрямителя Гретца , но имеет почти вдвое большее эквивалентное внутреннее активное сопротивление, вдвое меньше диодов и средний ток через один диод почти вдвое больше, чем в полномостовом, при амплитуде выпрямляемого напряжения сопоставимой с падением напряжения на переходе твердотельного диода обладает значительно лучшим КПД по сравнению с мостовой схемой. Применялась, когда медь была дешевле диодов. В одной из работ отмечается, что в этом выпрямителе выпрямленные полупериоды имеют колоколообразную форму, то есть форму близкую к функции .

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна:

Относительное эквивалентное активное внутреннее сопротивление равно , то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом, следовательно больше потери энергии на нагрев меди обмоток трансформатора (или расход меди).

Ток в нагрузке равен

Мощность в нагрузке равна

Частота пульсаций равна , где – частота сети.

Два полных моста параллельно

Позволяет применять диоды со средним током почти вдвое меньшим, чем в однофазном полномостовом.

Двухфазные выпрямители со сдвигом фаз 90°

Два полных моста параллельно

На двух параллельных полных мостах.

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: то есть в раз больше, чем в однофазном полномостовом.

В режиме холостого хода и близких к нему ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды моста с меньшей на данном отрезке периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых оба моста работают параллельно на общую нагрузку, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно В режиме короткого замыкания оба моста работают параллельно на нагрузку на всём периоде, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Два полных моста последовательно

На двух последовательных полных мостах.

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: то есть вдвое больше, чем в однофазном полномостовом.

Относительное эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно

Ток в нагрузке равен

Мощность в нагрузке равна

Частота пульсаций равна

Трёхфазные выпрямители

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста параллельно» и имеет почти такие же свойства, как и выпрямитель «три полных моста параллельно», но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больший.

Площадь под интегральной кривой равна:

Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)

Является почти аналогом выпрямителя «три полных моста последовательно» и имеет почти такие же свойства, но эквивалентное внутреннее активное сопротивление почти вдвое больше, число диодов вдвое меньше, средний ток через один диод почти вдвое больше.

Три полных моста параллельно (12 диодов)

Менее известны полномостовые трёхфазные выпрямители по схеме «три параллельных моста» (на двенадцати диодах), «три последовательных моста» (на двенадцати диодах), и др., которые по многим параметрам превосходят выпрямитель Ларионова А.Н.

По схемам выпрямителей можно видеть, что выпрямитель Миткевича В. Ф. является «недостроенным» выпрямителем Ларионова А.Н., а выпрямитель Ларионова А.Н. является «недостроенным» выпрямителем «три параллельных моста».

Вид ЭДС на входе (точками) и на выходе (сплошной).

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: , то есть такая же, как и в схеме «треугольник-Ларионов» и в раз меньше, чем в схеме «звезда-Ларионов».

В режиме холостого хода ЭДС в мосту с наибольшей на данном отрезке большого периода ЭДС обратносмещает (закрывает) диоды в мостах с меньшими на данном отрезке большого периода ЭДС. Эквивалентное внутреннее активное сопротивление при этом равно сопротивлению одного моста При увеличении нагрузки (уменьшении ) появляются и увеличиваются отрезки периода на которых два моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода при этом равно сопротивлению двух параллельных мостов При дальнейшем увеличении нагрузки появляются и увеличиваются отрезки периода на которых все три моста работают на нагрузку параллельно, эквивалентное внутреннее активное сопротивление на этих отрезках периода равно сопротивлению трёх параллельных мостов В режиме короткого замыкания все три параллельных моста работают на нагрузку, но полезная мощность в этом режиме равна нулю.

Выпрямитель «три параллельных полных моста» на холостом ходу имеет такую же среднюю ЭДС, как в выпрямителе «треугольник-Ларионов» и такие же сопротивления обмоток, но, так как у него схема с независимыми от соседних фаз диодами, то моменты переключения диодов отличаются от моментов переключения диодов в схеме «треугольник-Ларионов». Нагрузочные характеристики этих двух выпрямителей получаются разными.

Частота пульсаций равна , где – частота сети.

Абсолютная амплитуда пульсаций равна .

Относительная амплитуда пульсаций равна .

Три полных моста последовательно (12 диодов)

Площадь под интегральной кривой равна:

Средняя ЭДС равна: , то есть вдвое больше, чем в схеме «треугольник-Ларионов».

Эквивалентное внутреннее активное сопротивление равно сопротивлению трёх последовательно включенных мостов с сопротивлением 3*r каждый, то есть .

Ток в нагрузке равен

Мощность в нагрузке равна

Частота пульсаций равна , где – частота сети.

Поскольку большинство радиоэлектронных устройств питаются постоянным током, а в нашей сети переменный, то самое время научиться его «выпрямлять». Для преобразования переменного напряжения или тока в постоянный служат выпрямители, о которых мы и поговорим. Самый простой выпрямитель можно выполнить всего на одном диоде:

На графиках, полученных с помощью осциллографа и представленных на рисунке, хорошо видно, что до диода напряжение было переменным, разнополярным. Диод «обрезал» отрицательные полуволны, и остались одни положительные. Таким образом, мы получили однополярное напряжение, но оно сильно пульсирует, и питать им электронику невозможно. Чтобы сгладить пульсации используют конденсаторы большой емкости:

Пока проходит положительная полуволна, конденсатор заряжается, во время провала он отдает запасенную энергию и разряжается. Теперь дело обстоит несколько лучше, но не совсем хорошо — чем мощнее нагрузка, тем глубже будут провалы и тем большую емкость нужно включать, чтобы как-то спасти положение. Поэтому такой вид выпрямителя, который называется однополупериодным , используют достаточно редко и только для выпрямления переменного тока достаточно высокой частоты и малых токов нагрузки. В противном случае размеры сглаживающих конденсаторов будут неоправданно большими.

Для улучшения формы выпрямленного напряжения достаточно добавить в схему еще три диода:

В этом выпрямителе, который называют двухполупериодным, волны перенаправляются диодами и на выходе получается тоже пульсирующее напряжение, но удвоенной частоты, а пауз между импульсами практически нет. Добавим сюда сглаживающий конденсатор и увидим, что постоянное напряжение действительно похоже на постоянное:

Преимущество такого типа выпрямителя не только в лучшей форме выпрямленного напряжения, но и в том, что в качестве диодов можно использовать приборы, рассчитанные на вдвое меньший ток, поскольку в каждый момент времени через каждый диод течет только половина тока нагрузки. Такая схема получила настолько широкое распространение, что диоды собирают в мосты прямо на заводе. Такие сборки мы называем диодными или выпрямительными мостами.

Но двухполупериодная схема может иметь и другой вид, в котором присутствует всего два диода:

Здесь «минусовым» проводом служит отвод от середины вторичной обмотки трансформатора, а положительные полуволны собираются двумя диодами на «плюсе» благодаря двум одинаковым полуобмоткам. В этой схеме диоды тоже работают с половинным током нагрузки, но оправдана она лишь тогда, когда трансформатор имеет две обмотки, каждая из которых выдает номинальное напряжение и обмотки эти можно включить последовательно.

В данной статье расскажем что такое выпрямитель тока, принципы его работы и схемы выпрямления электрического тока.

Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (одно полярный) электрический ток.

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

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

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

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

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

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

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:

U ср = U max / π = 0,318 U max

Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

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

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку R н , диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А».

Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку R н , диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

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

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

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

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:

U ср = 2*U max / π = 0,636 U max

где: π — константа равная 3,14.

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

Трёхфазные выпрямители электрического тока (Схема Ларионова)

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

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

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

При конструировании блоков питания

Для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

— максимальное обратное напряжение диода – U обр ;

— максимальный ток диода – I max ;

— прямое падение напряжения на диоде – U пр .

Необходимо выбирать все эти перечисленные параметры с запасом, для исключения выхода диодов из строя.

Максимальное обратное напряжение диода U обр должно быть в два раза больше реального выходного напряжения трансформатора. В противном случае возможен обратный пробой p-n , который может привести к выходу из строя не только диодов выпрямителя, но и других элементов схем питания и нагрузки.

Значение максимального тока I max выбираемых диодов должно превышать реальный ток выпрямителя в 1,5 – 2 раза. Невыполнение этого условия, также приводит к выходу из строя сначала диодов, а потом других элементов схем.

Прямое падение напряжения на диоде – U пр , это то напряжение, которое падает на кристалле p-n перехода диода. Если по пути прохождения тока стоят два диода, значит это падение происходит на двух p-n переходах. Другими словами, напряжение, подаваемое на вход выпрямителя, на выходе уменьшается на значение падения напряжения.

Схемы выпрямителей электрического тока предназначены для преобразования переменного — изменяющего полярность напряжения в однополярное — не изменяющее полярность. Но этого недостаточно для превращения переменного напряжения в постоянное. Для того, чтобы оно преобразовалось в постоянное необходимо применение сглаживающих фильтров питания , устраняющих резкие перепады выходного напряжения от нуля до максимального значения.

Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное (однополярное) применяют выпрямительные устройства. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Рис. 9. Схема однополупериодного выпрямителя.

Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток I н в нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряженияU АБ , когда потенциал точкиа положителен по отношению к потенциалу точкиб , диод открыт и через нагрузку протекает ток.

Во второй полупериод полярность напряжений на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную и потенциал точки а становится отрицательным по отношению к потенциалу точкиб . При такой полярности диод включен в обратном направлении и ток в нагрузке будет равен нулю.

Рис. 10. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.

Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых, в отличие от однополупериодных выпрямителей, используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодньгй выпрямитель (рис. 11), состоящий из трансформатора, четырех полупроводниковых диодов VD 1 – VD 4 (включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.

Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.

В один из полупериодов напряжения сети, когда точка а имеет положительный по отношению к точкеб потенциал, диодыVD2 иVD 3 открыты, а диодыVD 1 иVD4 закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажима вторичной обмотки трансформатора, диодVD2 , нагрузочный резисторR н , диодVD3 и зажимб . В следующий полупериод, когда потенциал точкиа становится отрицательным по отношению к точкеб , открыты диодыVD1 иVD4, а диодыVD2 иVD3 закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точкаб , диодVD4 , нагрузочный резисторR н , диодVD1 и точкаа вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резистореR н имеет одно и то же направление. На рис. 12 представлены временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 12. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя.

Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет ряд преимуществ. В частности, при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузки R н средний выпрямленный ток / н ср и напряжениеU н ср в мостовом выпрямителе почти в два раза больше, чем в однополупериодном.

Недостатком мостовой схемы выпрямителя является необходимость применения четырех диодов.

Для того, чтобы избежать пульсирующего характера напряжения U н и токаI н нагрузки, в выпрямительных устройствах применяются различныесглаживающие фильтры . Простейшим из них является ёмкостной фильтр. Для этого параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор.

Рис. 13. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U АБ конденсаторC заряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диодVD пропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжениеU АБ уменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диодVD запирается, а конденсатор начинает разряжаться на резисторR н . Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени разр =R н С . В дальнейшем описанный процесс периодически повторяется.

Рис. 14. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

При работе такого выпрямителя существенно уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Однако следует помнить, что в выпрямителе с ёмкостным сглаживающим фильтром наблюдается значительная зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки.

Двухполупериодного мостового выпрямителя

Двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки

Однополуперидоного выпрямителя

Трехфазного однополупериодного выпрямителя

Двухполупериодной МОСТОВОЙ схеме выпрямления соответствует временная диаграмма напряжения…

Двухполупериодной схеме выпрямления С ВЫВОДОМ СРЕДНЕЙ ТОЧКИ трансформатора соответствует временная диаграмма напряжения…

Приведены временные диаграммы напряжения на входе (а) и выходе устройства (б). Данное устройство…

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель

Усилитель

Инвертор

Приведены временные диаграммы напряжения на входе (а) и выходе устройства (б). Данное устройство…

Однополупериодный выпрямитель

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Усилитель

Инвертор

Временным диаграммам напряжения на входе и выходе усилителя соответствует…

Инвертирующий усилитель на операционном усилителе

операционный усилитель на инвертирующем усилителе

транзисторный усилитель

микропроцессор

Схема однофазного мостового выпрямителя изображена на рисунке …

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки изображена на рисунке …

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя изображена на рисунке …

Схема трехфазного выпрямителя изображена на рисунке …

Приведенная таблица характеризует логическую операцию …

Умножения (И) 0х0=0, 0х1=0, 1х0=0, 1х1=1

Сложения (ИЛИ)

Инверсии (НЕ)

Стрелки Пирса (ИЛИ-НЕ)

Приведенная таблица характеризует логическую операцию …

Умножения (И)

СЛОЖЕНИЯ (ИЛИ) 0+0=0, 0+1=1, 1+0=1, 1+1=1

Инверсии (НЕ)

Стрелки Пирса (ИЛИ-НЕ)

Данное обозначение показывает, что устройство выполняет логическую операцию…

Сложения ИЛИ

Инверсии НЕ

Умножения И

Стрелки Пирса ИЛИ-НЕ

Приведенной таблице истинности соответствует схема …

Это операция ИЛИ-НЕ

Приведенной таблице истинности соответствует схема …

Это операция И-НЕ

Условное обозначение логического элемента ЗАПРЕТ изображено на рисунке …

Условное обозначение логического элемента И изображено на рисунке …

Условное обозначение логического элемента И-НЕ изображено на рисунке …

Условное обозначение логического элемента ИЛИ-НЕ изображено на рисунке …

На рисунке приведено условное обозначение логического элемента …

ИЛИ

И

НЕ

И-НЕ

На рисунке изображена схема усилительного каскада с общим …

истоком

стоком

затвором

коллектором

Временная диаграмма напряжения на нагрузке выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора изображена на рисунке …

Вольт-амперная характеристика полупроводникового СТАБИЛИТРОНА изображена на рисунке …

Стабилитрон держит на нагрузке постоянное напряжение при изменении тока.

Вот его рабочий участок – ток изменяется в больших пределах, а напряжение неизменно.

Схема сглаживающего Г-образного индуктивно-емкостного фильтра изображена на рисунке …

На рисунке приведена схема …

– обзор

4.7 Явление перекрытия коммутации диодов

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

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

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

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

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

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

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

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

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

(4.155) C = 6V˜i2ωLs

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

(4.156) isc = 6V˜i2ωLs (1 − cosωt)

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

(4.157) I¯o = 6V˜i2ωLs (1 − cosμ)

или

(4.158) μ = cos − 1 (1−2I¯oωLs6V˜i )

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

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

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

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

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

Пример 4.1

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

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

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

Решение

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

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

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

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

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

, где

I¯o = 14A

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

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

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

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

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

Пример 4.2

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

Solution

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

Рисунок 4.25. Формы сигналов выпрямителя.

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

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

Пример 4.3

Напряжение на нагрузке и ее ток задаются следующими уравнениями:

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

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

Раствор

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

Si = V˜iI˜i = 6926,75 ВА

Пока нет ни напряжения, ни тока синусоидальные формы сигнала:

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

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

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

λ = PiSi = 4560.486926,75 = 0,66

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

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

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

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

Пример 4.4

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

Solution

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

Рис. 4.26. Выпрямитель с конденсатором выходного фильтра.

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

(4,161) vo (ωt) = {| 2V˜isinωt | когда пара диодов проводит (2V˜isinθ) e− (ωt − θ) / ωRC, когда диоды не проводят

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

Крутизна выходного напряжения согласно формуле. (4.161) равны:

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

При угле ωt = θ градиенты функций равны, поэтому:

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

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

(4.164) θ≈π2

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

(4.165) 2V˜isinθ≈2V˜i

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

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

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

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

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

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

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

Следовательно, уравнение. (4.167) принимает следующий вид:

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

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

(4.170) ΔVo≈2V˜iπωRC = 2V˜i2fRC

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

Рисунок 4.27. Диодный выпрямитель с выходным LC-фильтром.

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

Пример 4.5

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

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

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

Решение

Используя вышеуказанные спецификации, были получены следующие результаты:

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

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

2V˜isinθ = 2202sin90,9 = 311,09V

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

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

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

Используя значение α, амплитуда размаха выходного напряжения составляет:

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

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

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

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

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

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

Рисунок 4.28. Результаты симуляции.

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

Пример 4.6

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

Решение

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

Кроме того,

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

Следовательно,

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

Пример 4.7

Трехфазный мостовой диодный выпрямитель имеет следующие характеристики:

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

a)

Среднее выходное напряжение и ток.

b)

Основная составляющая среднеквадратичного значения выходного тока.

c)

Действующее значение входного тока.

d)

Средний и среднеквадратичный ток диода.

e)

Полная выходная мощность.

Решение

a)

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

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

I¯o = V¯oR = 64825 = 25.9A

b)

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

Iˆo, 6 = Vˆo, 6 | Zo, 6 |

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

Vˆo, 6 = 62 × 480π (36−1) = 37V

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

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

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

в)

I˜i = 23I¯o = 23 × 25.9 = 21.2A

d)

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

e)

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

Пример 4.8

Трехфазный полуволновой диодный выпрямитель имеет следующие характеристики:

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

a)

Рассчитайте среднее выходное напряжение и ток.

b)

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

Решение

a)

Используя уравнение. (4.89) среднее выходное напряжение:

В¯o = 1,17V˜i = 1,17 × 127 = 148,6В

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

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

b)

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

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

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

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

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

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

Пример 4.9

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

Рассчитайте коэффициенты RF, FF, σ и λ.

Решение

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

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

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

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

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

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

Следовательно, среднеквадратичное значение выходного тока составляет:

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

Выходная мощность постоянного и переменного тока соответственно определяется выражением:

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

Следовательно, требуемые коэффициенты следующие:

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

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

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

Пример 4.10

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

Решение

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

Рисунок 4.29. Однофазный полномостовой диодный выпрямитель.

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

Рисунок 4.30. Схема основных осциллограмм во время коммутации.

Во время коммутации выполняется следующее уравнение:

vi − Lidiidt = 0 для π <ωt≤π + μ

Умножение приведенного выше уравнения на dωt:

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

Путем объединения обеих частей:

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

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

или

μ = cos − 1 (1−2ωLiI¯o2V˜i)

Время одной коммутации или Интервал перекрытия определяется выражением:

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

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

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

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

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

3.4: Выпрямительные схемы – рабочая сила LibreTexts

Что такое выпрямление?

и приложения

Выпрямитель может быть простым диодом или группой диодов, которые преобразуют переменный ток (переменный ток) в постоянный ток (постоянный ток).Поскольку диод пропускает электрический ток только в одном направлении и блокирует в другом направлении, этот принцип используется для создания различных типов выпрямителей. В целом выпрямители классифицируются как полуволновые и полноволновые выпрямители.

Схема HWR (полуволнового выпрямителя) – это схема, которая позволяет только один цикл ввода сигнала переменного тока и блокирует другой. В общем, можно сказать, что он преобразует положительный полупериод синусоидальной волны на входе в пульсирующий выходной сигнал постоянного тока, хотя преобразование положительного или отрицательного цикла зависит от способа подключения диода.

В HWR мы используем только один диод, которого более чем достаточно для выполнения желаемой работы. Поскольку нам нужен постоянный ток на выходе для синусоидального сигнала переменного тока, подаваемого на вход, поэтому один диод, включенный последовательно, выполняет всю работу за нас.

Это еще не все, но когда мы говорим обо всей конструкции схемы полуволнового выпрямителя, она состоит в основном из трех компонентов (без фильтра):

1. 1. Трансформатор (понижающий)
   2. Активная нагрузка
   3. Диод

Теперь посмотрим, как схема HWR преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока.Сначала высокое напряжение переменного тока подается на первичную обмотку понижающего трансформатора, и, соответственно, на вторичной обмотке получается низкое напряжение, которое подается на диод.
Диод будет в режиме прямого смещения в течение положительного полупериода переменного напряжения, поэтому ток течет через него. Во время следующего полупериода, то есть отрицательного цикла, диод становится смещенным в обратном направлении и блокирует ток через него. Таким образом, если посмотреть на окончательный вывод, мы можем увидеть, что ввод отслеживался как вывод только для положительного полупериода, как показано на рисунке ниже.

Попробуем понять эту концепцию более удобным способом, взяв синусоидальное напряжение вместо понижающего трансформатора.

Для положительного полупериода схема выглядит так:

Это связано с тем, что во время положительного полупериода диод находится в прямом смещении и позволяет току проходить через него (диод действует как короткое замыкание), и мы получаем то же напряжение, что и на входе.

Для отрицательного полупериода цепь становится разомкнутой, поскольку диод становится смещенным в обратном направлении и блокирует ток, таким образом, выходное напряжение равно нулю, как показано ниже:

Форма волны ввода-вывода в вышеупомянутой ситуации показана на диаграмме ниже.Это происходит очень быстро в зависимости от частоты входящего напряжения (50 герц, время 20 мс).

На приведенном выше графике показан выпрямитель с положительной полуволной, который допускает только положительный цикл и блокирует отрицательный.
Точно так же, если полярность диода меняется на обратную, то тот же выпрямитель становится выпрямителем с отрицательной полуволной, который допускает только отрицательный цикл и блокирует положительный.

Форма выходного сигнала, полученная из схемы однополупериодного выпрямителя без фильтра, описанная выше, представляет собой пульсирующую форму волны постоянного тока.

Теперь, когда мы знаем, что все схемы, которые мы используем, практически нуждаются в постоянном постоянном токе, а не в пульсирующем, поэтому мы используем фильтры, чтобы получить желаемую форму сигнала постоянного тока. Фильтры делают это, подавляя пульсации постоянного тока в форме волны.

Следовательно, чтобы получить более гладкую форму выходного сигнала постоянного тока, мы можем использовать либо конденсатор, либо катушку индуктивности, но чаще всего используется HWR (полуволновой выпрямитель) вместе с емкостным фильтром. На приведенной ниже диаграмме показано, как конденсаторный фильтр сглаживает форму волны. Конденсатор подключен параллельно резистивной нагрузке.

HWR с конденсаторным фильтром

Давайте теперь посмотрим несколько формул полуволнового выпрямителя на основе приведенных выше объяснений и форм сигналов.

При преобразовании формы волны переменного напряжения в постоянный остающийся нежелательный компонент переменного тока называется пульсацией. Даже после всей фильтрации у нас все еще остается некоторая составляющая переменного тока, которая пульсирует форму волны постоянного тока.Этот нежелательный компонент переменного тока называется пульсацией.

(обозначенный знаком «») используется для количественной оценки качества преобразования переменного напряжения в постоянное. Коэффициент пульсаций определяется отношением среднеквадратичного значения переменного напряжения (на входе) к напряжению постоянного тока на выходе выпрямителя.

Формула для коэффициента пульсации выглядит так:

ɣ = √ [(В _{действующее значение} / В _{постоянного тока} ) ² – 1]

В качестве альтернативы ɣ = (I ² _RMS – I ² _DC ) / I _DC = 1.21 (для синусоидальной формы волны)

На самом деле, для хорошего выпрямителя коэффициент пульсаций должен быть как можно меньше, поэтому для подавления пульсаций в цепи используются конденсаторные или индуктивные фильтры.

КПД выпрямителя (ɳ) – это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока, формула имеет вид:

ɳ = (P _{постоянного тока} / P _{переменного тока} )

КПД HWR составляет 40,6% (ɳ ​​ _макс. = 40.6%)

Чтобы найти действующее значение однополупериодного выпрямителя, нам нужно рассчитать ток через нагрузку. Если мгновенный ток нагрузки i _L = I _m sinwt, то средний ток нагрузки (I _dc ) равен:

I _{постоянного тока} = (1/2 π) ∫ ₀ ^π I _м sinwt = (I _м / π)

Здесь I _m представляет пиковый мгновенный ток через нагрузку (I _max ).Это постоянный ток, полученный через нагрузку (выход), составляет

I _DC = I _макс. / π; где I _max = максимальная амплитуда постоянного тока

Для однополупериодного выпрямителя среднеквадратичный ток нагрузки I _{действ.} равен среднему току I _dc , умноженному на π / 2. Таким образом, I _rms = I _m /4

Где I _max = I _m , что равно пиковому мгновенному току через нагрузку.

Это максимальное напряжение, которое диод может выдержать в режиме обратного смещения. Если приложить напряжение больше PIV, диод выйдет из строя.

Форм-фактор – это отношение действующего значения к среднему значению.

F.F = среднеквадратичное значение / среднее значение

Форм-фактор HWR составляет 1,57, то есть FF = 1,57

Выходное напряжение ( _{В постоянного тока} ) на нагрузочном резисторе обозначено

V _DC = Vs _max / π, где Vs _max – максимальная амплитуда вторичного напряжения

• Простая схема с меньшим количеством компонентов
• Экономичен в исходном состоянии.Хотя со временем возникает более высокая стоимость из-за больших потерь мощности

• Преобразует только один цикл синусоидального входного сигнала, заданного ему, а другой цикл теряется. Таким образом, давая больше потерь мощности.
• HWR производит более низкое выходное напряжение.
• Полученный таким образом выходной ток не является чисто постоянным, и он все еще содержит много пульсаций (т.е. имеет высокий коэффициент пульсаций)

В повседневной жизни полуволновой выпрямитель в основном используется в приложениях с низким энергопотреблением из-за его основного недостатка, заключающегося в том, что выходная амплитуда меньше входной.Таким образом, мощность тратится впустую, а на выходе пульсирует постоянный ток, что приводит к чрезмерной пульсации.

Некоторые из применений выпрямителей находятся в:

• Приборы
• Используется с трансформаторами
• Пайка
• AM-радио
• Цепи импульсные
• Одинарная демодуляция
• Умножитель напряжения

Как мы знаем, все электроприборы используют источник питания постоянного тока для работы, поэтому использование выпрямителя в источнике питания помогает преобразовать источник питания переменного тока в постоянный.Мостовые выпрямители широко используются в крупных бытовых приборах, где они способны преобразовывать высокое переменное напряжение в более низкое постоянное напряжение.

Используется с трансформатором

С помощью однополупериодного выпрямителя можно достичь желаемого напряжения постоянного тока с помощью повышающих или понижающих трансформаторов. Даже полноволновые выпрямители используются для питания двигателей и светодиодов, работающих от постоянного напряжения.

используются в схемах паяльников, а также в репеллентах от комаров для отвода дыма от свинца.При электросварке выпрямители с мостовой схемой используются для подачи постоянного и поляризованного постоянного напряжения.

Полуволновые диодные выпрямители используются в AM-радио в качестве детектора, поскольку на выходе содержится звуковой сигнал. Из-за меньшей силы тока от него мало пользы для более сложного выпрямителя.

В цепях генерации импульсов и пусковых цепях используются однополупериодные выпрямители.

В модулирующем сигнале для демодуляции амплитуды используется полуволновой выпрямитель. Для определения амплитуды модулирующего сигнала в радиосигнале используется двухполупериодный мостовой выпрямитель.

В схеме умножителя напряжения используется схема однополупериодного выпрямителя.

Хотя принцип и теория трехфазного HWR такие же, как и у однофазного HWR, но характеристики другие.Форма волны, коэффициент пульсации, КПД и выходные среднеквадратичные значения не совпадают.

Трехфазный полуволновой (диодный) выпрямитель используется для преобразования трехфазного переменного тока в постоянный. Поскольку диоды здесь используются в качестве переключателей, следовательно, они являются неконтролируемыми переключателями, это означает, что нет никакого способа контролировать время включения и выключения этих переключателей.

Как правило, трехфазный полуволновой диодный выпрямитель имеет трехфазное питание, подключенное к трехфазному трансформатору, где вторичная обмотка трансформатора всегда соединена звездой.Это сделано по той причине, что нейтральная точка требуется для подключения нагрузки обратно к вторичным обмоткам трансформатора, обеспечивая обратный путь для потока энергии.

Типичный трехфазный трансформатор, питающий чисто резистивную нагрузку, показан ниже. Здесь каждая фаза трансформатора используется как отдельный источник переменного тока. Измерение и моделирование напряжений показано на рисунке ниже. Кроме того, мы подключили отдельные вольтметры как к каждому источнику, так и к нагрузке.

Итак, из приведенной выше формы волны, что диод D1 проводит, когда фаза R имеет значение напряжения, которое выше, чем значение напряжения двух других фаз, и указанное условие начинается, когда фаза R находится на 30 ⁰ повторяется после каждого полного цикла. Итак, D1 ведет дальше по адресу 390 ⁰ . Точно так же диод D2 начинает проводить при 150 ⁰ , когда напряжение в фазе B становится максимальным (по сравнению с двумя другими фазами) в этот момент.Следовательно, каждый диод проводит для 150 ⁰ -30 ⁰ = 120 ⁰ .

Среднее значение выходного напряжения на резистивной нагрузке равно

V _o = (3 / 2π) V _{м по прямой}

Где V _{м линия} = √6 V _{фаз e}

Действующее значение выходного напряжения может быть задано как

В _{или среднеквадратичное значение} = 0,84068 В _{м фаза}

А коэффициент пульсации напряжения равен

В _r / В _o = 0.151 / 0,827 = 0,186 = 18,26%

Таким образом, пульсации напряжения значительны и, следовательно, нежелательны, поскольку приводят к потере мощности.

КПД , ɳ = (P _o / P _i ) = 0,968 = 96,8%

Даже после повышения эффективности трехфазный полуволновой диодный выпрямитель обычно не используется, поскольку потери мощности здесь более значительны.

Аджай Дирадж

Разработчик технического контента

Нравится:

Нравится Загрузка …

| Формы входных и выходных сигналов

Базовая схема диодного полуволнового выпрямителя показана на рис.3-1 (а). Переменное входное напряжение подается на одиночный диод, включенный последовательно с нагрузочным резистором R _L . Диод смещен в прямом направлении во время положительных полупериодов входного сигнала и смещен в обратном направлении во время отрицательных полупериодов. Значительный ток протекает через R _L только во время положительных полупериодов входа. Во время отрицательных полупериодов диод ведет себя почти как разомкнутый переключатель.

Форма волны выходного напряжения, формируемая на R _L , представляет собой серию положительных полупериодов переменного напряжения с промежуточными очень небольшими отрицательными уровнями напряжения, создаваемыми обратным током насыщения диода.

Когда диод смещен в прямом направлении [Рис. 3-1 (a) 1, падение напряжения на нем составляет V _F , а выходное напряжение (входное напряжение) – V _F . Итак, пиковое выходное напряжение составляет

Обратите внимание, что V _pi = 1,414 V _i , где V _i – среднеквадратичный уровень синусоидального входного напряжения.

Пиковый прямой ток диода

Во время отрицательного полупериода входа [рис.3-1 (b)], диод с обратным смещением имеет очень высокое сопротивление. Таким образом, протекает только очень небольшой обратный ток (I _R ), что дает выходное напряжение

Пока диод смещен в обратном направлении, на его выводы подается пиковое напряжение отрицательного полупериода входа. Таким образом, пиковое обратное напряжение или пиковое обратное напряжение (PIV), приложенное к диоду, равно

на выходных клеммах используется накопительный конденсатор для сглаживания волны выпрямленного напряжения до постоянного напряжения [см. Рис.3-1 (в) л. Важно отметить, что наличие накопительного конденсатора существенно изменяет форму волны выпрямленного напряжения и влияет на требования к току и напряжению диода.

– принципиальная схема, теория и применение

Полупериодный выпрямитель пропускает один полупериод переменного тока и блокирует другой полупериод. Таким образом, в одном полном цикле формы волны переменного тока проходит полупериод. В полуволновом выпрямителе только один диод используется для преобразования переменного тока в постоянный.

Основной частью полуволнового выпрямителя является диод. Диод проводит, если анодное напряжение больше, чем напряжение включения диода. Напряжение включения кремниевого и германиевого диодов составляет 0,7 и 0,3 В соответственно. Если анодное напряжение превышает 0,7 В, диод начинает проводить ток. В силовой электронике обычно используются кремниевые диоды, поскольку они имеют низкое значение прямого сопротивления, что делает их пригодными для передачи высокого прямого тока.

Принципиальная схема полуволнового выпрямителя

Принципиальная схема полуволнового выпрямителя показана ниже.

Схема однополупериодного выпрямителя состоит из трех основных частей.

Напряжение подается на первичную обмотку трансформатора. Низкое напряжение индуцируется во вторичной обмотке трансформатора в соответствии с соотношением витков трансформатора. Напряжение снижается, чтобы получить желаемое постоянное напряжение. Упрощенная эквивалентная вторичная цепь выпрямителя показана ниже.

Во время положительного полупериода сигнала переменного тока напряжение на аноде диода больше, чем его напряжение включения, и диод становится смещенным в прямом направлении и начинает проводить.Таким образом, в положительном полупериоде диод остается в проводящем состоянии, и ток течет через диод. Диод имеет очень низкое прямое сопротивление в состоянии прямого смещения, и его можно рассматривать как короткое замыкание, учитывая нулевое прямое сопротивление.

Диод перестает проводить, когда форма волны переменного тока пересекает ноль и приближается к отрицательному полупериоду. Во время отрицательного полупериода диод имеет обратное смещение, и через диод не протекает ток.Во время отрицательного полупериода диод разомкнут, а эквивалентная схема выпрямителя приведена ниже.

Во время отрицательного полупериода обратное сопротивление диода очень велико, и он действует как разомкнутая цепь, и диод не пропускает ток через него.

Формула полуволнового выпрямителя

Теперь мы обсудим различные формулы полуволнового выпрямителя для оценки его характеристик.

Среднее значение или значение постоянного тока полуволнового выпрямителя

Среднее или эффективное значение постоянного тока на выходе полуволнового выпрямителя можно определить, взяв среднее значение выходного постоянного напряжения.Мгновенное значение тока на выходе выпрямителя i = I _м Sinωt. Средний ток нагрузки через сопротивление нагрузки равен:

Действующее значение полуволнового выпрямителя

Для полуволнового выпрямителя действующий ток нагрузки (Irms) равен среднему току (IDC), кратному π / 2. Следовательно, действующее значение тока нагрузки (Irms) для полуволнового выпрямителя составляет:

Коэффициент пульсаций полуволнового выпрямителя

Коэффициент пульсаций показывает эффективность выпрямления.На выходе выпрямленного постоянного тока также есть переменная составляющая. Переменная составляющая нежелательна на выходе выпрямленного постоянного тока, а переменная составляющая, имеющаяся в выпрямленном постоянном токе, называется пульсацией. Практически невозможно устранить составляющую переменного тока на выходе выпрямленного постоянного тока. Однако меньшая пульсация выпрямленного сигнала делает выходной постоянный ток более плавным.

Коэффициент пульсаций определяется как отношение имеющейся составляющей переменного тока на выходе выпрямителя к среднему значению на выходе постоянного тока.

Коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя можно выразить следующим математическим выражением.

Коэффициент пульсации полуволнового выпрямителя составляет 1,21. Коэффициент пульсации можно снизить, установив конденсатор и индуктор в качестве цепи фильтра.

Форм-фактор полуволнового выпрямителя

Отношение среднеквадратичного и среднего значения называется форм-фактором.

КПД полуволнового выпрямителя

Отношение между выходной мощностью постоянного тока и входной мощностью переменного тока называется эффективностью выпрямителя.Формула КПД равна:

КПД однополупериодного выпрямителя равен 40,6%.

Пиковое обратное напряжение полуволнового выпрямителя

Пиковое обратное напряжение диода – это максимальное напряжение, которое диод может выдержать в состоянии обратного смещения. Если приложено напряжение, превышающее пиковое обратное напряжение (PIV), диод может выйти из строя.

Применение полуволнового диодного выпрямителя

• Выпрямление мощности: Полупериодный выпрямитель используется для выпрямления переменного тока и получения постоянного напряжения.
• Демодуляция сигнала: В процессе демодуляции сигнал восстанавливается. Полуволновой выпрямитель широко используется для демодуляции модулированных сигналов.
• Детектор пикового сигнала: Простой полуволновой диодный детектор можно использовать в качестве пикового детектора, обнаруживая пики входящей формы волны.

Преимущества полуволнового выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель очень прост по конструкции.Полуволновой выпрямитель состоит из очень небольшого количества компонентов.

• Нижнее количество деталей
• Дешевле

Недостатки полуволнового выпрямителя

Недостатками однополупериодного выпрямителя являются:

• Выпрямляется только полуволна переменного тока, а другой полупериод теряется. Поэтому его КПД очень низкий (40%).
• Низкое выходное напряжение постоянного тока.
• Выходной постоянный ток содержит больше пульсаций, поэтому выходной сигнал не является чисто постоянным током.