Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители переменного тока: схемы и принцип действия

Выпрямление электроэнергии

До конца XIX века преобразование переменного напряжения в постоянное было проблемой. С изобретением диода — сначала вакуумного, а позже и полупроводникового — ситуация в корне изменилась. Благодаря своим уникальным свойствам, диод отлично различает полярность и позволяет легко сортировать токи с нужным направлением. Сначала для этих целей использовались отдельные диоды, позже появились диодные мосты, обеспечивающие высокое качество выпрямления.

Выпрямитель на одном диоде

Диод проводит ток только в одном направлении, именно поэтому его и называют полупроводниковым прибором. Если к катоду устройства подключить плюс источника напряжения, а к аноду — минус, диод будет вести себя как обычный проводник. Если полярность изменить, то прибор закроется и превратится в диэлектрик. Для ответа на вопрос о том, что это даёт, придется собрать простейшую схему и снова вооружиться осциллографом.

На схеме изображена работа полупроводникового диода в цепи переменного тока. Осциллограмма слева показывает картину на выходе трансформатора — обычный переменный ток. После диода всё существенно меняется — на графике исчезает отрицательная полуволна переменного напряжения. Ток еще не стал постоянным, но он уже не переменный — движения электрического заряда в обратном направлении нет. Такой род тока принято называть пульсирующим. Им еще нельзя питать электронику, но изменения налицо. Остаётся сгладить пики импульсов. Это делают с помощью конденсаторов.

На схеме представлен однополупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором. Во время положительного импульса напряжение не только питает нагрузку, но и одновременно заряжает конденсатор. Когда импульс заканчивается, конденсатор отдает накопленную энергию, сглаживая скачки напряжения.

Двухполупериодный прибор

Несмотря на значительные успехи, достигнутые в преобразовании переменного тока в постоянный предыдущим экспериментом, результат ещё далек от идеала. Дело в том, что частота переменного тока довольно низкая (50 Гц), а навешивание сглаживающих конденсаторов имеет свои ограничения. Для того чтобы существенно улучшить форму выходного сигнала, нужно увеличить частоту.

Однако в розетках она строго фиксирована и не зависит от внешних факторов. Отрицательная полуволна напряжения срезается диодом. Поменять её полярность совсем несложно — достаточно лишь добавить несколько диодов, собрав мостовую схему. На рисунке представлен двухполупериодный выпрямитель на четырёх диодах, объясняющий то, как работает диодный мост:

При появлении положительной полуволны диоды VD2, VD3 окажутся включенными в прямом направлении и будут открыты. VD1, VD2 — закрыты. Полуволна свободно проходит к выходу выпрямителя. Когда напряжение сменит полярность, пары диодов поменяются местами — VD1 и VD4 откроются, VD2 и VD3 закроются. Отрицательная полуволна тоже пройдет к выходу, но поменяет полярность. В результате получится все то же импульсное однополярное напряжение, но частота его увеличится вдвое. Останется добавить сглаживающий конденсатор и посмотреть, что получится.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором на изображении показывает, что поставленная задача решена: переменное напряжение преобразовано в постоянное. Конечно, постоянство неидеально — имеются пульсации, однако с ними можно бороться с помощью фильтров. К тому же любая электроника допускает ту или иную величину пульсаций.

Такая схема, состоящая из четырех диодов, стала классической и получила название диодного или выпрямительного моста. Существует отдельная категория электронных приборов — выпрямительные мосты. Они состоят из четырех диодов, соединенных между собой соответствующим образом. В качестве примера можно посмотреть на выпрямительный мост КЦ402Г и его электрическую схему.

1.2.6 Рекомендуемая литература

1. Гусев, В. Г. Электроника и микропроцессорная техника: учеб. для вузов / В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. – 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 2004. – 790 с.
2. Быстров, Ю. А. Электронные цепи и микросхемотехника: учеб. пособие/Ю. А. Быстров, И. Г. Мироненко. – М.: Высш. шк., 2002. – 384 с.: ил.
3. Степаненко, И. П. Основы микроэлектроники: учеб. пособие для вузов / И.П. Степаненко. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2003. – 488 с.: ил.
4. Хоровиц, П. Искусство схемотехники / П. Хоровиц, У. Хилл: пер. с англ. – 6-е изд. – М.: Мир, 2003. – 704 с., ил.
5. Довгун, В. П. Электротехника и электроника: учеб. пособие: в 2-х ч. Ч. 2 / В. П. Довгун. – Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2006. – 252 с.

Принцип действия

У переменного тока постоянно меняются два параметра:

1. величина;
2. направление.

Графическое представление этих изменений отображается синусоидой. Полуволны выше оси абсцисс, отображают движение заряженных частиц в положительном направлении, ниже — в противоположном, отрицательном.

Задача выпрямителя — сделать так, чтобы направление тока оставалось постоянным, то есть превратить его в однополярный, добиться этого можно несколькими способами:

1. отсечь отрицательные полуволны. Задействуется только половина вырабатываемой источником или генератором энергии. Поскольку ток действует только в одном полупериоде, такая схема выпрямления называется однополупериодной;
2. «опрокинуть» отрицательные полуволны относительно оси абсцисс, то есть превратить их в положительные. Вырабатываемая энергия задействуется в полном объеме и поскольку ток действует в течение обоих полупериодов, данную схему называют двухполупериодной.

На диаграммах обычно изображают выпрямленное напряжение, поскольку оно, в отличие от силы тока, не зависит от нагрузки.

Трехфазные выпрямители

Среди трехфазных схем наибольшее распространение получили однонаправленная схема выпрямления или схема Миткевича и мостовая схема, известная также как схема Ларионова.

Рассмотрим сначала однонаправленную схему выпрямителя.

В однонаправленной схеме вторичные обмотки трехфазного трансформатора соединены звездой. К фазам а, b и с подключены диоды Д1, Д2 и Д3, катоды которых соединены в точке . Нагрузка Rн подключена между общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора и общей точкой присоединения катодов.

Ток на каждом диоде будет протекать только тогда, когда потенциал на аноде будет выше потенциала на катоде. Это возможно в течении 1/3 периода, когда напряжение в данной фазе выше напряжений в двух других фазах. То есть когда U2а>U2b и U2a>U2c, диод Д1 будет открыт, в то время как Д2 и Д3 будут заперты. Под действием напряжения U2а ток замыкается через обмотку фазы а, диод Д1 и нагрузку Rн. В следующую треть периода открывается диод Д2, затем Д3 и т.д.

Напряжение нагрузки будет равно напряжению фазы с открытым диодом и следовательно ток нагрузки изменяется по тому же закону. При этом ток в нагрузке всегда будет больше 0.

Пульсация тока в такой схеме будет относительно невелика, что понижает требования к сглаживающему фильтру. Недостатком данной схемы, также как однофазной однополупериодной является намагничивание сердечника трансформатора.

Большее распространение в трехфазных выпрямителях получила мостовая схема Ларионова, так как она лишена недостатков однотактной схемы.

В такой схеме одновременно пропускают ток два диода — один с наибольшим положительным потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы диодов, другой — с наибольшим отрицательным потенциалом катода. Нагрузка подключается между анодной и катодной группой диодов.

В интервал времени t1-t2 пропускать ток будут диоды Д1 и Д4, так как наибольший положительный потенциал имеет анод фазы а, а наибольшим отрицательным потенциалом обладает катод фазы b. В интервале t2-t3 пропускать ток будут диоды Д1-Д6, в интервале t3-t4 — Д3-Д6, в интервале t4-t5 — Д3-Д2, в интервале t5-t6 — Д5-Д2 и в последнем интервале — Д5-Д4.

Таким образом напряжение на нагрузке будет иметь вид шести пульсаций за период, а интервал проводимости каждого диода — 2π/3. При этом интервал совместной работы двух диодов — π/6. Среднее значение напряжения на нагрузке будет:

  где U2 — действующее значение напряжения на вторичных обмотках трансформатора.

Среднее значение выпрямленного напряжения практически равно максимальному линейному напряжению питающей сети:

где Uab.m — максимальное линейное напряжение вторичной обмотки.

Из достоинств схемы нужно отметить то, что в такой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора. Кроме того коэффициент пульсаций значительно ниже, чем у однофазной двухполупериодной схемы и составляет 0,057.

На основе этой схемы можно создать двенадцати, восемьнадцати, двадцатичетырехфазные выпрямители. Для этого используются различные сочетания последовательного и параллельного соединения схем. Чем больше будет фаз и соответственно пар диодов, тем меньше будут выходные пульсации.

Кроме этих схем, могут применяться и управляемые схемы выпрямления, которые наряду с выпрямлением переменного тока обеспечивают и регулировку выходного напряжения (тока). Но об этом мы поговорим в следующий раз.

Недостатки двухполупериодного выпрямителя

Одним из недостатков двухполупериодного выпрямителя является необходимость в трансформаторе, имеющий во вторичной обмотке центральный отвод. По этой причине в мощных источниках питания размеры и стоимость таких трансформаторов существенно возрастают. Вот почему использование выпрямителя с центральным отводом оправдана только в устройствах с низким энергопотреблением.

Еще одним недостатком является то, что из-за центрального отвода для выпрямления используется только половина вторичного напряжения.

Чтобы избежать этих недостатков можно использовать мостовой двухполупериодный выпрямитель.

Ограничения использования полуволнового выпрямителя

Если сопротивление нагрузки мало для данной емкости конденсатора, то через нагрузку будет течь большой ток, который разряжает конденсатор быстрее (из-за постоянной времени RC), что приведет к увеличению пульсаций.

Пока постоянная времени RC намного больше периода, конденсатор остается почти полностью заряженным, и мы получаем идеальное выходное постоянное напряжение.

Чтобы иметь большую постоянную времени RC, нам нужен конденсатор с большим значением. Но это не всегда оправдано, поскольку существуют ограничения как по стоимости, так и по размеру конденсатора.

Также при использовании полуволнового выпрямителя отсутствует выходное напряжение в течение отрицательного полупериода, поэтому большая часть мощности теряется впустую.

Из-за этих основных недостатков полуволновые выпрямители используются редко. Более предпочтительно использовать двухполупериодный выпрямитель.

Управляемые выпрямители

Однофазная двухполупериодная схема с общей точкой на тиристорах показана на рисунке. От аналогичной схемы на диодах она отличается присутствием системы управления (СУ), формирующей импульсы для открывания тиристоров.

От времени подачи этого импульса (точки t0, t1, t2 и t3 на рисунке) зависит, какую часть полуволны пропустит тиристор. Это время, в свою очередь, зависит от сдвига по фазе управляющих импульсов относительно входного напряжения (угол регулирования или управления), задаваемого пользователем.

Применяются управляемые выпрямители, например, для таких целей:

• регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока;
• изменение яркости светильника;
• зарядка аккумуляторов.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.

Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.

Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.

В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.

Мы также узнали, что после включения тиристор снова выключается только после того, как его сигнал затвора удален, а ток анода упал ниже удерживающего тока тиристоров I _H, поскольку переменное напряжение питания переменного тока смещает его. Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR ₁ и D ₂ и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V _INпроводимость проходит через SCR ₂ и D ₁ и возвращается к источнику питания.

Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR ₁ или SCR ₂ ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D ₂ или D ₁ ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.

Таким образом, среднее выходное напряжение V _AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:

Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя. Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя 

Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .

Однополупериодный преобразователь

Устройство включает:

• Трансформирующий прибор;
• Вентиль (полупроводниковый или электровакуумный диод);
• Конденсатор, который сглаживает переходы отрицательной и положительной полуволны;
• Резистор, выполняющий роль нагрузки.

Если подключить однополупериодный преобразователь к осциллографу, на графике будут видны сглаженные импульсы. Смягчение сигнала достигается за счет использования конденсатора. Во время отрицательного полупериода конденсатор отдает накопленный за время положительной полуволны электрический ток.

К минусам подобной конструкции относят низкий коэффициент полезного действия из-за высокого уровня колебаний. Поэтому однополупериодные преобразователи применяют исключительно в системах с низким потреблением.

Фильтрация напряжения двухполупериодного выпрямителя

Выходной сигнал, который мы получаем от двухполупериодного выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

Чтобы получить напряжение без пульсаций, нам необходимо отфильтровать выходной сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор, через нагрузочный резистор, как показано ниже:

Изначально конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод D1 смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как входное напряжение достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение станет меньше Vp, напряжение на конденсаторе будет выше входного напряжения, которое закроет диод.

Когда диод не проводит, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, диод D2 кратковременно открывается и заряжает конденсатор до пикового значения.

1.2.5 Рекомендации по сборке схем

1. Трансформатор XFRM_LINEAR находится в библиотеке ANALOG.slb. Параметрами являются индуктивности первичной и вторичной обмоток  , а также коэффициент связи Coupling. Коэффициент связи несколько меньше единицы. Можно выбрать  Coupling = 0.99. Индуктивности первичной и вторичной обмоток связаны соотношением , где n — коэффициент трансформации.
2. При сборке схемы использовать модели диодов D1N4148  и  D1N4002,  модель стабилитрона D1N750 (zener diode)   из библиотеки EVAL.slb.
3. Напряжение пробоя стабилитрона D1N750 составляет 4.7 В. Для получения напряжений на нагрузке, отличных от 4.7 В, использовать схему, состоящую из последовательно включенных стабилитронов и диодов.
4. Примеры схем выпрямителей и ИВЭП можно найти в файлах W1_1, W1_2, W1_3  в папке Electronics\Labs.

Фильтрация выходного напряжения выпрямителя

Выходной сигнал, получаемый от полуволнового выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

На практике нам нужно устойчивое постоянное напряжение, без каких-либо изменений напряжения или пульсаций, такое которое мы получаем от батареи.

Чтобы получить такое напряжение, нам необходимо отфильтровать полуволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор:

Вначале конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока входное напряжение не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе равно Vp.

После того, как входное напряжение достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение становиться меньше Vp, напряжение на конденсаторе превышает входное напряжение, которое отключает диод.

Поскольку диод выключен, конденсатор разряжается через резистор нагрузки и подает ток нагрузки, пока не будет достигнут следующий пик.

Когда наступает следующий пик, напряжение через диод заряжает конденсатор до пикового значения и все повторяется:

Описание

В предыдущей статье мы видели, что процесс преобразования входного источника переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением, причем наиболее популярные схемы, используемые для выполнения этого процесса выпрямления, основаны на полупроводниковых диодах. На самом деле выпрямление переменного напряжения является одним из самых популярных применений диодов, так как диоды недорогие, небольшие и надежные, что позволяет нам создавать многочисленные типы выпрямительных цепей, используя либо индивидуально подключенные диоды, либо всего один встроенный мостовой выпрямительный модуль.

Однофазные источники питания, такие как в домах и офисах, обычно имеют фазо-нейтральное напряжение 120 или 240 Врм, также называемое линией нейтрали (LN), и номиналом постоянного напряжения и частоты, которые создают переменное напряжение или ток в форму синусоидальной формы волны с сокращением «AC».

Трехфазные выпрямители, также известные как многофазные выпрямительные схемы, аналогичны предыдущим однофазным выпрямителям. Разница на этот раз в том, что мы используем три однофазных источника питания, соединенных вместе, которые были произведены одним единственным трехфазным генератором.

Преимущество здесь состоит в том, что трехфазные выпрямительные схемы могут использоваться для питания многих промышленных устройств, таких как управление двигателем или зарядка аккумулятора, которые требуют более высоких требований к мощности, чем однофазная выпрямительная схема.

Трехфазные источники питания развивают эту идею на один шаг вперед, комбинируя вместе три напряжения переменного тока одинаковой частоты и амплитуды, причем каждое напряжение переменного тока называется «фазой». Эти три фазы имеют сдвиг по фазе на 120 электрических градусов друг от друга, создавая последовательность фаз или поворот фазы на 360 o  ÷ 3 = 120 o, как показано.

Однополупериодная схема выпрямления

Представляет собой простейшую схему сглаживания сигнала. Состоит из одного полупроводникового диода, который подключается к вторичной обмотке трансформирующего прибора и резистора для нагрузки.

Текущее через схему напряжение проходит синусоидальный цикл изменений, включает положительные и отрицательные отрезки синусоиды переменного напряжения. За счет свойств диода отрицательный полупериод обрезается, проходит только положительный. К аноду полупроводникового элемента подключают положительный заряд. Если подключение обратное, при котором напряжение на катоде выше, чем на аноде, из-за сопротивления ток не проходит.

Работа мостовой схемы

Устройство состоит из четырех полупроводниковых вентилей, объединенных в мост. В таком случае вторичная обмотка трансформирующего устройства объединяется с противоположными плечами диодного моста. Нагрузочные резисторы подключат посредством других плеч. При этом выходные характеристики значительно выше, чем у двухпериодных, из-за течения через прибор всей волны напряжений переменного тока.

Во время положительной полуволны сигнал движется от отрицательной части вторичной обмотки трансформирующего устройства через вентили и нагрузочный резистор к положительной части совокупности витков трансформирующего устройства. При негативной полуволне процесс происходит в обратном порядке.

Полноволновой выпрямитель с нулевым выводом

Выпрямляющий прибор с двумя диодами конвертирует обе полуволны подающегося на него сигнала в импульсный постоянный ток. Чтобы преобразовать ток, применяется трансформирующий прибор, у которого вторичная обмотка разделяется на две половины. Центральный участок присоединен к земле.

Принцип работы:

1. При положительном полуцикле на одной части витков трансформатора возникает плюс, на второй – минус. Вентиль, который подключают к положительной части, проводит ток. Второй диод закрыт. Проходя через резистор, ток попадает на центральную точку;
2. При отрицательном полуцикле состояние обмоток меняется. Второй диод проводит ток.

В итоге электричество пропускается во время обеих полуволн, и КПД достигает 90%.