Низкочастотный выпрямитель. Наиболее распространенные схемы выпрямления переменного тока в постоянный

Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями. Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный выпрямленный ток I0 – среднее значение выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная техническими требованиями. Определяется результирующим током всех цепей питаемых выпрямителем.

Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота пульсаций – частота наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя. Для самой простой однополупериодной схемы выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети. Двухполупериодные, мостовые схемы дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций, зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока. Различаюткоэффициент пульсаций на входе фильтра (p0 %) икоэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций на выходе фильтра k с = p0 / p. Для многозвенных фильтров коэффициент фильтрации равен произведению коэффициентов фильтрации отдельных звеньев.

Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –изменение напряжения постоянного тока относительно номинального. При отсутствии стабилизаторов напряжения определяются отклонениями напряжения сети.

Схемы выпрямителей.

Выпрямители, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 3 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”),. Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.

Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

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.

Схема полупроводникового однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 9. В этом выпрямителе полупроводниковый диодVD включен последовательно с нагрузочным резисторомR н и вторичной обмоткой трансформатораT . Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.

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.

На рис. 13 приведена схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным сглаживающим фильтром, а на рис.14 – диаграммы, иллюстрирующие его работу.

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.

Выпрямление электрических колебаний , это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны , кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.

Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рисунке 1.6.

Диод, включенный таким образом, что приводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно

.

Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .

В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменение направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.

Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.

Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рисунке 1.7.

В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает.

При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученого на выходе двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

Технические параметры выпрямителя:

- Коэффициент пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

- Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме , определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

- Коэффициент полезного действия , это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

-

Частотная пульсация выпрямителя , это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.

Содержание:

В электрических сетях используется преимущественно переменный ток, питающий большинство промышленных и бытовых потребителей. Однако существует немало электрических устройств - магнитофонов, приемников и других приборов, основой которых служат полупроводники или лампы. Для их работы требуется только постоянный ток. Кроме того, он используется во многих заводских производственных процессах.

Преимущественная выработка переменного тока связана с удобством его трансформации в разные значения напряжений. Другим положительным моментом считается передача переменного тока по ЛЭП с минимальными потерями. Поэтому все необходимые преобразования выполняют выпрямители переменного тока, позволяющие получить необходимое , обеспечивающее нормальную работу электрических приборов.

Принцип работы выпрямителя тока

Основной функцией выпрямителя тока является преобразование переменного напряжения в постоянное. Принцип работы этих устройств основан на свойствах переменного тока, величина и направление которого изменяются во времени.

Согласно стандартного значения изменение направления тока в сети составляет 50 раз в течение одной секунды. Такое колебание является частотой и составляет 50 герц или периодов. То есть значение электротока в определенный период достигает нулевой отметки, а затем постепенно набирает максимальное значение. Этот процесс постоянно повторяется и протекает в периодической форме. Значение тока постоянно изменяется в соответствии с синусоидальным законом.

Основная задача выпрямителя заключается в получении устойчивого постоянного напряжения, не изменяющего своей величины и направления. Сам процесс выпрямления заключается в работе вентиля, пропускающего ток лишь в одном направлении. В результате односторонней проводимости вентиля, прохождение тока через него осуществляется исключительно в положительные полупериоды. Во время отрицательных периодов ток в цепи отсутствует.

При наличии положительной полуволны, сопротивление в вентиле минимальное, что обеспечивает свободное прохождение тока. Отрицательная полуволна подвергается значительному сопротивлению, задерживается и не проходит через вентиль. В результате включения вентиля в цепь, переменный ток будет полностью отсутствовать. Изменения оставшегося в цепи тока будут касаться только его величины, а направление останется неизменным. Это так называемый первичный или пульсирующий ток. С его помощью можно зарядить аккумулятор, но, он не годится для питания, например, радиоэлектронной аппаратуры. Необходимо выполнить процедуру сглаживания, чтобы пульсирующий ток превратился в . С этой целью используется специальный фильтр.

В качестве такого фильтра используется конденсатор с большой емкостью. Выпрямляемый ток сглаживается или фильтруется за счет зарядки конденсатора током, идущим от вентиля. В результате, создается определенный запас электроэнергии. При уменьшении тока, проходящего через вентиль и падении напряжения на нагрузке в конце каждого положительного полупериода, происходит отдача конденсатором накопленной энергии.

Однополупериодные выпрямители

Далеко не все фильтры способны полностью избавить ток от резких пульсаций. Для этих целей требуются более совершенные фильтры, обеспечивающие на нагрузке лишь незначительные пульсации постоянного тока. Такие пульсации не оказывают решающего влияния на основные функции электронного устройства, получающего питание через выпрямитель.

К наиболее простым приборам относится . Основным принципом его работы является использование для выпрямления только положительных полупериодов. Выпрямленный ток и сетевое напряжение имеют одинаковую частоту пульсаций. Поэтому для их сглаживания в однополупериодном выпрямителе должен применяться хороший фильтр. С помощью данных устройств осуществляется питание аппаратуры с потреблением незначительного тока. В случае возрастания токовых значений, необходимо использовать более сложные фильтры.

Работа двухполупериодных выпрямителей

Более широкое распространение получили переменного тока, с использованием сразу двух вентилей. Течение тока в нагрузке происходит всегда в одном направлении.

Схема выпрямления действует следующим образом. В определенное время на одном из выводов вторичной обмотки трансформатора напряжение будет положительным по отношению к другому выводу. Ток проходит через первый вентиль с небольшим сопротивлением, после этого он идет по нагрузке к средней точке вторичной обмотки. Такое положение будет сохраняться весь положительный полупериод. Когда ток не первом выводе трансформатор изменится, напряжение станет отрицательным. Прохождения тока через первый вентиль не будет в связи с его большим сопротивлением. Второй конец обмотки будет с положительным напряжением, и ток начнет проходить по второму вентилю, нагрузке с выходом к средней точке вторичной обмотки трансформатора.

Данная схема выпрямления тока позволяет использовать два полупериода напряжения. Высокая частота пульсаций значительно облегчает фильтрацию выпрямленного напряжения.

Как происходит выпрямление переменного тока

Очень много вопросов задают по статье как получить из переменного напряжения постоянное . Напомню, что мы получали постоянное напряжение с помощью типичной схемы, которая используется во всей электронике:

Да, та статья получилась чуток сыровата, но суть преобразования переменного тока в постоянный мы постарались объяснить на пальцах. Но читатели все равно «не вкурили» ту статью, поэтому было решено написать еще одну статейку, но на этот раз разжевать все досконально.

Снова да ладом…

Придется возвращаться к истокам. Вместо трансформатора я возьму ЛАТР , который будет выдавать переменный ток:

Выставляем на ЛАТРе с помощью напряжение амплитудой в 10 Вольт:

Как мы можем увидеть в нижнем левом углу, частота нашего сигнала 50 Герц. Это и есть частота сети. Длина одного кубика по вертикали равна 2 Вольтам.

И спаиваем из них вот по такой схеме:

Подаем напряжение с ЛАТРа на диодный мост, а с других концов цепляем щуп осциллографа

Тыкаем щупом осциллографа в эти красные кружочки на схеме. Землю на один кружочек, а сигнальный на другой.

Смотрим, что получилось на дисплее осциллографа

Дело в том, что сопротивление щупа осциллографа обладает очень высоким , или иначе простыми словами: мы подцепили очень-очень высокоомный резистор к выходу диодного моста. Поэтому диодный мост в холостом режиме, то есть в режиме без нагрузки, не функционирует.

Для того, чтобы проверить диодный мост на работоспособность, нам надо его нагрузить . Это может быть резистор в несколько десятков или сотен Ом, лампочка, либо какая-нибудь электронная безделушка. В моем случае я взял лампочку накаливания на 12 Вольт от поворотника мотоцикла:

Цепляем ее к диодному мосту

Тыкаем щуп осциллографа в эти точки и смотрим осциллограмму

Как мы видим, напряжение с ЛАТРа чуть просело. Все зависит, конечно, от подключаемой нагрузки и мощности самого ЛАТРа. Про это я писал еще в статье

Теперь тыкаем щупом в эти точки

Классика жанра! Превращаем отрицательную полуволну в положительную и получаем «горки» с частотой в 100 Герц;-). Но ваш внимательный глаз ничего не заметил? Если даже мы и выпрямили напряжение с помощью диодного моста, то почему амплитуда каждой полуволны стала еще чуть меньше?

Дело все в том, что на диода в прямом смещении падает напряжение в 0,6-0,7 Вольт. Именно поэтому оно и вычитается с амплитуды напряжения, которое надо выпрямить.

Давайте теперь к диодному мосту запаяем конденсатор емкостью в 5000 мкФ и не будем цеплять никакую нагрузку

Тыкаем щупом сюда

Получили вот такую осциллограмму постоянного тока. Она в 1,41 раз больше, чем действующее (среднеквадратичное) значение сигнала с ЛАТРа (о действующем напряжении чуть ниже)

А теперь цепляем лампочку

Осциллограмма кардинально изменилась.

Как мы видим, напряжение просело и у нас получилась осциллограмма постоянного напряжения с небольшими пульсациями. Вот эти маленькие «холмики» и есть пульсации, в отличите от «гор» сразу после диодного моста с лампочкой-нагрузкой. Физический смысл здесь такой: конденсатор не успевает разряжаться на нагрузке, как снова приходит новая «горка» и снова заряжает конденсатор.

Правило диодного выпрямителя с конденсатором очень простое: чем больше емкость конденсатора и чем больше сопротивление нагрузки, тем меньше по амплитуде будут пульсации, и наоборот.

Но почему у нас просело напряжение? Ведь было уже 10 Вольт постоянного напряжения на конденсаторе без нагрузки?

А как цепанули лампочку стало намного меньше…

В чем же проблема? А проблема именно в законе сохранения энергии…

Среднеквадратичное значения напряжения

Итак, давайте еще раз вспомним: что такое ?

Допустим, у нас есть лампочка накаливания. Я ее подцепил к источнику постоянного тока и она у меня загорелась с какой-то яркостью. Потом я цепляю эту лампу к источнику переменного тока и добиваюсь такого же свечения лампы. Форма сигнала постоянного и переменного напряжения разные, а мощность, выдаваемая в нагрузку, в данном случае лампочку, одинаковая. Можно сказать, что среднеквадратичное значение переменного тока равняется значению постоянного тока.

То есть если у нас лампочка на 12 Вольт, я могу подать на нее 12 Вольт с блока питания или 12 Вольт с ЛАТРа. Лампочка будет светить с такой же яркостью. Мультиметр в режиме измерения переменного тока показывает именно среднеквадратичное значение напряжения .

Итак, чему же равняется среднеквадратичное значение вот этого сигнала?

А давайте замеряем. Для этого я беру мой любимый прибор токоизмерительные клещи , в который встроен целый мультиметр с True RMS и начинаю замерять среднеквадратичное значение

Мультиметр показал 7,18 Вольт. Это и есть среднеквадратичное значение этого сигнала.

Для синусоидальных сигналов оно легко вычисляется по формуле:

где

U max — максимальная амплитуда, В

U Д — действующее (среднеквадратичное) значение напряжения, В

Как мы подцепили нагрузку, у нас сразу просела амплитуда напряжения с ЛАТРа, а следовательно, и среднеквадратичное значение напряжения

6, 68 Вольт. Хотя по формуле получается 9/1,41=6,38. Спишем на погрешности измерения.

Среднеквадратичное значение сложных сигналов

Но чему же равняется среднеквадратичное значение напряжения после диодного моста с включенной нагрузкой-лампочкой?

Для определения среднеквадратичного значения такого сигнала:

нам понадобится формула и табличка.

Вот формула:

где K a — это коэффициент амплитуды

U max — максимальная амплитуда сигнала

U — действующее (среднеквадратичное) значение сигнала

А вот и табличка:

Теперь ищем по табличке наш пульсирующий сигнал с выпрямителя. Как мы видим, его коэффициент амплитуды равен 1,41 или, если быть точнее, √2. То есть точно такой же, как и у синусоидального сигнала.

Вычисляем по формуле и получаем:

После того, как мы поставили конденсатор, у нас почти получилась осциллограмма постоянного тока с значением в примерно в 6 Вольт, если полностью усреднить нашу кривую, то есть пренебречь небольшими пульсациями. Можно даже сказать, что это значение постоянного тока будет равняться среднеквадратичному значению переменного тока номиналом в 6 Вольт. Не забываем, что 0,6-0,7 Вольт у нас падают на диодах.

Заключение

Итак, какие выводы делаем из всего вышесказанного и показанного? Среднеквадратичное значение напряжения на выходе диодного выпрямителя чуточку меньше, чем до диодного моста. По 0,6-0,7 Вольт падает на диодах. Если бы мы поставили диоды Шоттки, то выиграли бы 0,3-0,4 Вольта, так как падения на Шоттках 0,2-0,3 Вольта. Схема двухполупериодного выпрямителя, с энергетической точки зрения является очень неплохой и поэтому используется в большинстве радиоэлектронных устройств.