Volt-info. Схемы выпрямителей на диодах

Элементарный выпрямитель на одном диоде

Благодаря свойству диода однонаправленной проводимости, всего одной детали достаточно, чтобы собрать схему выпрямителя. Такая схема предельно проста, а характеристики её не ахти какие, но тем не менее, она вполне работоспособна и пригодна для некоторого применения, например, для подзарядки батареи свинцово-кислотных аккумуляторов и т.п.

Речь пойдёт об однополупериодном однофазном выпрямителе на одном диоде. Сразу представим его схему - рисунок 1.

Рисунок 1. Однофазный однополупериодный выпрямитель.

Состав схемы.

Ключевым элементом схемы является диод VD1. Схема проста до безобразия: диод просто включен последовательно с цепью нагрузки, роль которой выполняет лампа HL1. Трансформатор T1 здесь не имеет принципиального значения, он играет роль источника переменного напряжения.

Принцип работы.

Через трансформатор T1 производится преобразование переменного напряжения питающей сети до необходимой величины, а так же осуществляется гальваническая развязка, что обычно необходимо для электробезопасности. Гальваническая развязка позволяет в большей степени исключить поражение электрическим током пользователя (оператора) устройства.

К одному из выводов вторичной обмотки трансформатора подключается диод VD1. Свободные выводы диода и трансформатора можно использовать в качестве выходных контактов. Таким образом к ним подключена нагрузка в виде лампы HL1.

При переменном напряжении вторичной обмотки, в положительный полупериод, рисунок 1 а), когда к диоду и нагрузке приложено напряжение U2, диод открывается и через него и лампу HL1 течёт ток нагрузки iн. На лампу действует напряжение одной полярности. В отрицательный полупериод, рисунок 1 б), к диоду и лампе приложено напряжение –U2, которое для диода является обратным, запирающим. Диод в этот полупериод запирается, через него может течь ток, не превышающий ток утечки диода iу. При этом нагрузка переживает безтоковую паузу, т.е. происходит отсечка отрицательного полупериода.

И так, благодаря рассмотренной схеме, при питании от сети переменного тока, на нагрузке всегда возникает напряжение только одной полярности. В этом и заключается суть выпрямления.

Достоинства схемы.

К достоинству данной схемы можно отнести только её безобразную простоту. В остальном она не всегда пригодна для широкого применения из-за своих значительных недостатков.

Недостатки схемы.

- Значительные пульсации на выходе устройства. При подключении лампы накаливания, даже учитывая значительную инерционность её нагрева, её свечение заметно мерцает.

- Низкая эффективность. Вследствие отсечки отрицательного полупериода, КПД этой схемы не может быть больше 50%.

- При значительных нагрузках с использованием в схеме трансформатора Т1, трансформатор подвергается несимметричному размагничиванию, может появиться неприятный звук.

Применение схемы.

Несмотря на все свои недостатки, эта схема нашла своё применение в качестве десульфатирующего зарядного устройства для свинцово-кислотных аккумуляторных батарей.

volt-info.ru

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 RН1, RН2

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.

ivatv.narod.ru

Схемы выпрямителей | Техника и Программы

Поскольку ИИП позволяют иметь большие допустимые уровни напряжения, поступающего от нестабилизированных источников, существуют неправильные представления о проектировании таких источников. Они состоит в том, что необходимо всего лишь убедиться в наличии достаточного нестабилизированного напряжения при наихудших условиях, что нужен примитивный нестабилизированный источник с элементарным фильтром, и что обо всем остальном позаботится импульсный стабилизатор. Вполне возможно в этом есть доля истины, потому что использование ультразвуковой частоты переключения устраняет пульсации с частотой 60 и 120 Гц в стабилизированном выходном напряжении. Процесс переключения, вместе с отслеживанием сигнала рассогласования цепью обратной связи, обеспечивает электронную фильтрацию. В некоторых импульсных системах, где можно отказаться от силового трансформатора, рассчитанного на частоту 60 Гц (очень привлекательная особенность этих схем), все значительно упрощается.

Основные характеристики нестабилизированных источников заслуживают краткого обзора хотя бы потому, что они являются неотъемлемой частью импульсных стабилизаторов. А слишком беспечное отношение к нерегулируемым источникам приводило к некоторым неблагоприятным последствиям и к характеристикам, далеким от оптимальных.

Основные характеристики выпрямительных схем приведены в табл. 16.1 и 16.2. Более высокий к.п.д. двухполупериодных схем сделал их наиболее распространенными в однофазных системах. Из двух вариантов двухполупериодных схем мостовая схема выпрямителя более предпочтительна, чем двухполупериодная с отводом от средней точки обмотки трансформатора. Во-первых, мост обеспечивает лучший коэффициент использования трансформатора; во вторых, мост не требует никакого отвода от обмотки. Если мостовой выпрямитель применяется в схеме стабилизации без силового 60-герцового трансформатора, то такая система работает и с источником постоянного напряжения, причем полярность источника постоянного напряжения не существенна.

Таблица 16.1. Соотношение между напряжениями в схемах выпрямителей. Напряжения но11М1фованы к уровню постоянной составляющей.

clip_image002

Таблица 16.2. Соогаошение между токами в схемах выпрямителей.

clip_image004

Однофазный мостовой выпрямитель имеет несколько недостатков и может вызывать удивление, что схема с отводом от средней точки (столь популярная в эпоху ламповых схем) возвращается в сложные ИИП. Возрастающая потребность в мощных стабилизированных источниках с низким выходным напряжением и высоким значением тока вызвана требованиями компьютерной техники; общее требование состоит в необходимости иметь напряжение 5 В при токах несколько сот ампер. Ни обычный кремниевый плоскостной диод, ни мостовая схема не могут напрямую использоваться для этих целей, потому что падение напряжения на них приводит к значительному снижению к.п.д. выпрямителя. В этом отношении мостовая схема хуже, чем схема с отводом от середины обмотки, потому что в ней происходит падение прямого напряжения на двух диодах. Рассеяние мощности в выпрямительном диоде пропорционально прямому падению напряжения, так что просто заменяя в мостовой схеме обычные диоды на диоды Шотки, можно вдвое уменьшить рассеиваемую выпрямителем мощность. А если заменить мостовую схему схемой с отводом, получим еще двукратное сокращение рассеиваемой мощности. Таким образом, обходясь без обычно используемого диодного моста и используя два диода Шотки в схеме с отводом у обмотки трансформатора, удается примерно вчетверо сократить мощность, рассеиваемую в выпрямителе. При напряжении 30 В это возможно не играет заметной роли но когда выходное напряжение всего лишь 5 В, а токи очень большие, выбор схемы выпрямителя имеет большое значение, потому что «обычный» подход в этом случае, сводит на нет высокий к.п.д., который может обеспечить импульсная схема.

Хотя выпрямитель является простой схемой, ясно, что нельзя не уделять ему внимания и надеяться, что процесс переключения, введение обратной связи или другие методы все исправят. Кроме того, можно ожидать других ловушек. Когда используются обычные диоды или выпрямляются сигналы с частотой выше 20 кГц, о себе заявляют другие проблемы. Об этом говорилось в главе 13, хотя там основное внимание было направлено на характеристики, а не на рассеяние мощности в выпрямительных диодах.

nauchebe.net

Базовые схемы выпрямителей

Базовые схемы выпрямителей Однополупериодный выпрямитель с емкостной нагрузкойМожет быть рекомендован для использования только в устройствах с малым током нагрузки, так как постоянная составляющая тока в обмотке трансформатора снижает КПД. Если величина тока Ir дана в миллиамперах, а напряжение пульсаций Uo - в вольтах (двойная амплитуда), то емкость С (в микрофарадах) равна 15 Ir / U. Форма пульсаций в принципе идентична для всех выпрямителей с емкостным фильтром.

Трехфазный выпрямитель с одной обмоткой на фазуРис. 2: Uпик= 0,82 Еэфф, коэффициент пульсаций 17,7%, частота пульсаций 3f. Рис. 3: Uпик=1,412 Еэфф, коэффициент пульсаций 4%, частота пульсаций 6f.

Двухполупериодный выпрямительРекомендован для использования в низковольтных устройствах, так как падение напряжения на диодах меньше, чем у мостового выпрямителя. Значение тока Ir действительно при непрерывном режиме функционирования. Максимальное значение тока Irm допустимо в продолжение 60 с, если при этом среднее значение тока нагрузки остается ниже Ir.

Двухполупериодный мостовой выпрямительРекомендован для использования в устройствах со средним и большим током потребления. Значение тока Ir действительно при непрерывном режиме работы. Максимальное значение тока Irm допустимо в течение 60 с, если при этом среднее значение выходного тока остается ниже Ir.

Двухполярный двухполупериодный выпрямительИспользуется в двухполярных источниках питания. Четыре дискретных диода можно заменить мостовым выпрямителем.

Удвоитель напряжения Латура-Делона-Гренашера

Рис. 7: асимметричный источник питания. Рис. 8: симметричный источник питания. Диоды должны выдерживать напряжение до 3 Ui (имеется в виду эффективное значение Ui), а конденсаторы - 1,5 Ui, причем их емкость определяется соотношением: С (мкФ) - 100 I2 (мА) / Ui (В). Трансформатор должен обеспечивать 5 I2.

Трехфазный выпрямитель с двумя обмотками на фазуРис. 9 (шестифазная схема): Uпик= 0,82 Еэфф, коэффициент пульсаций 4%, частота пульсаций 6 f. Рис. 10 (двенадцатифазная схема): Uпик = 1,412 Еэфф, коэффициент пульсаций 2%, частота пульсаций 12 f

Удвоитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра)Рис. 11: асимметричный источник питания. Рис. 12: симметричный удвоитель напряжения. Диоды должны выдерживать напряжение до 3 Ui (имеется в виду эффективное значение Ui), конденсатор С1 - 1,5 Ui, конденсатор С2 - в два раза больше. Емкость определяется из соотношения: С (мкФ) = 100 I2 (мА) / Ui (В). Трансформатор должен обеспечивать 5 I2.

Дополнительный маломощный выход

Подключение, удвоителя напряжения к двухполупериодному со средней точкой или двухполупериодному мостовому выпрямителю позволяет получить основное выходное напряжение U и дополнительное выходное напряжение Ua х 2 Up . Данную схему рекомендуется использовать только тогда, когда I

Умножитель напряжения Латура-Делона-ГренашераДля примера показаны четыре секции, но их число может быть увеличено. Диоды должны выдерживать 3 Еэфф, конденсатор С1 - 1,5 Еэфф, последующие - в два раза больше. Емкость определяется из соотношения: С (мкФ) = 100 I2 (мА) / Ui (В). Трансформатор обязан обеспечивать 5 I2.

Источник высокого напряжения на обычных трансформаторах За трансформатором Tpl, обеспечивающим 2x12 В, последовательно включены два повышающих трансформатора Тр2, ТрЗ (с 9 до 220 В), за которыми стоят удвоители напряжения, позволяющие получить разность потенциалов в 1,2 кВ. Дополнительно данная схема выдает 2x18 В для питания, например, операционных усилителей.

Умножитель напряжения Шенкеля-Вилларда (Вийяра) Для примера показаны пять секций, но их число может быть увеличено. Величина выходного сопротивления меньше, чем в предыдущей схеме, однако необходимо применение конденсаторов с рабочими напряжениями 1,5 Uэфф для С1 и U2 для Сn.

Гибридный умножитель напряжения Схема обеспечивает снижение выходного сопротивления за счет расположения конденсаторов так, что переменное напряжение на них имеет большую, чем обычно, величину. Пропорциональное возрастание разности потенциалов подразумевает использование конденсаторов с соответствующими рабочими напряжениями.

Симметричный умножитель напряжения Сочетание двух удвоителей напряжения, каждый их которых имеет четыре секции, обеспечивает меньшее выходное сопротивление, чем в случае применения схемы Латура-Делона-Гренашера, использующей восемь секций.

Умножитель напряжения большой мощности В умножителях напряжения, использующих принцип двухполупериодного выпрямления, пульсации значительно снижены, а выходное сопротивление в четыре раза меньше, чем в случае однополупе-риодного умножителя.

Получение трёх напряжений от двух обмоток Схема сочетает двухполупериодный выпрямитель (конденсатор С2 заряжается через диоды D2 и D3) с двумя однополупериодными (D1C1 и D4C3). Такая схема сводит к минимуму мощность, рассеиваемую на стабилизаторах.

tehnodoka.ru

Каталог товаров