Однофазный двухполупериодный выпрямитель предназначен для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. В отличие от однофазного однополупериодного варианта, он использует оба полупериода входного сигнала, что повышает эффективность выпрямления и снижает пульсации на выходе.
Ключевым элементом схемы является диодный мост (схема Гретца), состоящий из четырёх диодов, соединённых таким образом, чтобы ток через нагрузку протекал в одном направлении вне зависимости от полярности входного напряжения. При положительной полуволне ток проходит через первую и четвёртую ветви моста, при отрицательной – через вторую и третью. Это обеспечивает непрерывный ток через нагрузку без промежутков.
Для повышения стабильности выходного напряжения дополнительно используется сглаживающий конденсатор. Его задача – накапливать заряд в моменты пиков напряжения и компенсировать его падение в переходные периоды, снижая амплитуду пульсаций. При расчёте ёмкости важно учитывать ток нагрузки и частоту сети: для бытовой сети 50 Гц при токе до 1 А обычно применяются конденсаторы на 470–2200 мкФ.
Эффективность схемы зависит от корректного выбора диодов по току и обратному напряжению. Например, для выпрямления напряжения 230 В применяются диоды с обратным напряжением не ниже 400 В и током не менее удвоенного тока нагрузки. Это обеспечивает надёжную работу схемы в условиях пиковых нагрузок и скачков напряжения.
Принцип действия мостовой схемы выпрямления с четырьмя диодами
Мостовая схема выпрямления, реализуемая с помощью четырёх диодов, преобразует переменное напряжение в однонаправленное без участия трансформатора с отводом от средней точки. Диоды соединяются в замкнутый контур, образуя два плеча моста, каждый из которых содержит по два последовательно включённых диода.
В положительную полуволну входного сигнала ток проходит через первый диод верхнего плеча и второй диод нижнего плеча. В этот момент два других диода заперты, так как на них приложено обратное напряжение. Нагрузка при этом подключена в цепь прохождения тока, и через неё протекает ток одного направления.
При отрицательной полуволне активными становятся оставшиеся два диода, обеспечивая ток в той же самой полярности относительно нагрузки. Благодаря этому ток через нагрузку всегда направлен одинаково, несмотря на смену полярности на входе.
Ключевым преимуществом мостовой схемы является использование полной амплитуды входного напряжения, что позволяет добиться более высокого среднего выпрямленного напряжения по сравнению с двухполупериодной схемой с центральным отводом. Кроме того, она не требует трансформатора с двумя вторичными обмотками или средней точкой, что упрощает реализацию и снижает стоимость устройства.
Для корректной работы важно, чтобы все диоды имели одинаковые характеристики по току и напряжению. Также необходимо обеспечить надёжное теплоотведение, поскольку каждый диод проводит ток в течение половины периода.
Формирование выходного напряжения при чередовании полуволн
В однофазном двухполупериодном выпрямителе с мостовой схемой каждая полуволна входного переменного напряжения используется для создания однонаправленного выходного напряжения. Это достигается за счёт того, что в положительный и отрицательный полупериоды тока работают разные пары диодов, но ток в нагрузке всегда направлен в одну сторону.
- В отрицательный полупериод открываются диоды D3 и D4. Поток тока направляется через ту же нагрузку в том же направлении, но за счёт смены активных диодов. Это снова приводит к положительной полуволне выходного напряжения.
Таким образом, при каждом полупериоде входного напряжения на выходе формируется пульсирующее постоянное напряжение. Оно имеет частоту вдвое выше частоты сети, что уменьшает пульсации по сравнению с однополупериодным выпрямлением и упрощает дальнейшую фильтрацию.
Для повышения качества выходного сигнала рекомендуется использовать фильтрующие элементы – конденсаторы или дроссели – которые снижают амплитуду пульсаций и обеспечивают более стабильное постоянное напряжение.
Особенности тока через нагрузку в процессе выпрямления
В двухполупериодной мостовой схеме ток через нагрузку течёт в одном и том же направлении на протяжении всего периода входного переменного напряжения. Это достигается за счёт чередующегося срабатывания диодов: в положительную полуволну работают одна пара диодов, в отрицательную – другая, при этом нагрузка остаётся в единственной токовой полярности.
Ток через нагрузку имеет пульсирующий характер, так как его форма повторяет модуль синусоиды входного напряжения. Частота пульсаций в два раза выше частоты сети. Например, при 50 Гц переменного входного напряжения пульсации тока через нагрузку будут иметь частоту 100 Гц.
Амплитуда тока определяется сопротивлением нагрузки и амплитудой выпрямленного напряжения. При резистивной нагрузке форма тока повторяет форму напряжения. При наличии фильтрующего конденсатора ток становится импульсным: он протекает только в моменты, когда напряжение на трансформаторе превышает напряжение на конденсаторе, подзаряжая его.
Тепловая нагрузка на элементы схемы возрастает в случаях, когда ток носит прерывистый характер. Это важно учитывать при выборе компонентов, особенно диодов и трансформатора. Они должны выдерживать как среднее, так и пиковое значение тока, особенно в режиме зарядки конденсатора.
Для уменьшения амплитуды пульсаций и сглаживания тока применяются фильтры. Конденсатор после мостового выпрямителя снижает колебания тока через нагрузку, особенно при постоянной нагрузке. Однако при большой ёмкости возрастает пиковый ток заряда, что может вызвать перегрев диодов и трансформатора при недостаточном запасе по току.
Сравнение выпрямленного сигнала с переменным входным напряжением
Входное напряжение однофазного двухполупериодного выпрямителя представляет собой синусоидальный переменный сигнал с амплитудой, зависящей от параметров источника. При прохождении через выпрямитель обе полуволны преобразуются в положительную полуволну выпрямленного напряжения. Это происходит благодаря последовательному включению четырёх диодов, которые направляют ток так, что нагрузка получает пульсирующее постоянное напряжение с удвоенной частотой исходного переменного сигнала.
Амплитуда выпрямленного сигнала приблизительно равна амплитуде входного синусоидального напряжения за вычетом падения напряжения на диодах, обычно около 0,7 В на каждый диод в проводящем состоянии. Следовательно, суммарные потери составляют около 1,4 В для мостовой схемы. Это существенно влияет на выходное значение при низких уровнях входного напряжения.
Частота пульсаций на выходе равна удвоенной частоте входного напряжения – для сети с частотой 50 Гц выходной сигнал пульсирует с частотой 100 Гц. Благодаря этому нагрузка получает более равномерное напряжение по сравнению с однофазным выпрямителем с одним диодом.
Выпрямленный сигнал не является строго постоянным, а представляет собой пульсирующее напряжение с выраженными пиками и спадом. Для сглаживания выходного сигнала рекомендуется использование фильтров – конденсаторов или LC-фильтров, которые уменьшают амплитуду пульсаций, приближая форму напряжения к постоянному уровню.
При увеличении амплитуды входного переменного напряжения возрастает и амплитуда выпрямленного сигнала, но коэффициент пульсаций при этом снижается при наличии фильтрации. Для точного расчёта выходного напряжения учитывается RMS-значение входного сигнала и суммарные потери на элементах выпрямителя.
Сравнение формы и амплитуды входного и выпрямленного сигналов показывает, что двухполупериодный выпрямитель обеспечивает более эффективное преобразование, позволяя использовать обе полуволны, что улучшает характеристики выходного сигнала по сравнению с однополупериодным выпрямлением.
Влияние диодного падения напряжения на форму выходного сигнала
В однофазном двухполупериодном выпрямителе каждый диод при проводимости создаёт падение напряжения, обычно около 0,7 В для кремниевых диодов. Это влияет на амплитуду выходного напряжения и форму сигнала.
Падение напряжения сдвигает минимальные значения выходного сигнала вниз, уменьшая эффективное напряжение на нагрузке. При входном напряжении с амплитудой Uin максимальное выпрямленное напряжение на выходе будет примерно равно Uin — 2·Uдиод, так как ток проходит через два последовательно включённых диода за один полный цикл.
В результате форма выходного сигнала изменяется: вершины пиков снижаются, а в области низких уровней напряжения происходит срез, что увеличивает искажения. Особенно заметно это при малых амплитудах входного сигнала, когда падение становится значительной частью амплитуды.
Диодное падение вызывает также сдвиг по времени момента начала и окончания проводимости диодов, что ведёт к уменьшению длительности полезного выпрямленного сигнала и увеличению интервала с нулевым напряжением на выходе.
Для снижения влияния падения напряжения на форму выходного сигнала применяют диоды с низким прямым падением (например, шоттки с падением около 0,3 В), либо компенсируют его с помощью повышающего трансформатора или дополнительных схем коррекции.
В расчётах и моделировании выпрямителя необходимо учитывать падение напряжения диодов для точного прогнозирования выходных параметров и выбора оптимальных компонентов схемы.
| Параметр | Значение |
|---|---|
| Падение напряжения на кремниевом диоде | ≈ 0,7 В |
| Падение напряжения на шоттки | ≈ 0,3 В |
| Максимальное выходное напряжение | Uin − 2·Uдиод |
Вопрос-ответ:
Что обеспечивает полноволновое выпрямление в однофазном двухполупериодном выпрямителе?
Полноволновое выпрямление достигается благодаря использованию четырёх диодов, которые расположены по мостовой схеме. Во время положительной и отрицательной полуволн переменного напряжения каждый диод открывается в нужный момент, позволяя токам проходить через нагрузку в одном направлении. Таким образом, обе полуволны исходного сигнала преобразуются в пульсирующее постоянное напряжение без пропусков.
Как диодное падение напряжения влияет на выходной сигнал выпрямителя?
Диодное падение представляет собой потерю напряжения на каждом диоде при прохождении через него тока, обычно около 0,7 В для кремниевых диодов. В двухполупериодной мостовой схеме ток проходит последовательно через два диода, поэтому суммарное падение может достигать примерно 1,4 В. Это снижает амплитуду выходного напряжения и может влиять на качество пульсирующего сигнала, особенно при низком входном напряжении или слабой нагрузке.
Почему в мостовой схеме используются именно четыре диода, а не меньше?
Четыре диода позволяют направлять ток через нагрузку в одном и том же направлении при обоих полупериодах переменного напряжения. Если бы использовались только два диода, то можно было бы выпрямить только одну полуволну. Мостовая схема с четырьмя диодами организует последовательное включение пары диодов при каждой полуволне, что даёт возможность использовать весь период входного сигнала без перерывов.
Как форма выходного напряжения зависит от нагрузки при полноволновом выпрямлении?
При активной нагрузке с малой ёмкостью выходное напряжение имеет выраженный пульсирующий характер, повторяющий форму абсолютного значения входного переменного напряжения с частотой удвоенной входной. Если же нагрузка содержит фильтрующий конденсатор, пульсации уменьшаются, и сигнал становится ближе к постоянному напряжению. При индуктивной или сложной нагрузке могут возникать дополнительные искажения формы сигнала из-за фазовых сдвигов и характеристик тока.
Загрузка...
