Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.

Практически все электронные приборы работают от постоянного тока. Такой подход значительно снижает количество применяемых электронных компонентов, размер схемы и затраты на производство прибора.

Для преобразования переменного электрического напряжения в постоянное используются выпрямители. Статья даст подробное объяснение, что такое двухполупериодные выпрямители. Опишет их принцип работы, разновидности, основные преимущества и недостатки.

Назначение

Основное назначение однофазного двухполупериодного выпрямителя – это преобразование переменного тока в постоянный. Для того чтобы понять принцип действия такого выпрямителя, необходимо разобраться, что такое однополупериодное выпрямление.

Однополупериодный выпрямитель представляет собой устройство, которое состоит из трансформатора и одного диода (вентиля), подключенного ко вторичной обмотке трансформатора. Работает устройство следующим образом:

1. Синусоидальный ток представляет собой цикл из 2 периодов: положительного и отрицательного.
2. При протекании по цепи положительного полупериода, диод открывается и пропускает его дальше по цепи.
3. При протекании отрицательного полупериода, диод не открывается и обрезает этот цикл.

Таким образом по цепи пропускается только ток с высокой пульсацией. Для того чтобы сгладить этот эффект, схема дополняется конденсатором с высокой емкостью. Основной недостаток такой схемы – большая потеря тока и необходимость использования мощных сглаживающих конденсаторов. Подобное устройство применяется, например, для зарядных блоков мобильных телефонов.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель построен примерно по схожей схеме. Главное отличие заключается в добавлении 2-х и более полупроводниковых диодов для сглаживания обоих полупериодов. Существуют следующие разновидности подобных элементов:

1. Мостовой.
2. Со средней точкой.

Каждое устройство использует различное количество преобразователей, а значит имеет различный принцип работы.

Как организовать двухполярное питание

Сочетая балансную схему и мостовую, можно получить преобразователь, который будет давать на выходе двухполярное питание с общей (нулевой) точкой. Причем, для одного она будет отрицательной, а для другого – положительной. Такие устройства широко применяются в БП для цифровой радиотехнике.

Схема со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой предполагает наличие трансформатора с двумя вторичными обмотками, имеющими центральный вывод. Так же может использоваться трансформатор с одной вторичной обмоткой, но он будет обязательно иметь вывод из центра обмотки. Кроме того в составе схемы имеются 2 диода. Выпрямитель с нулевым выводом работает за счет образования разных по направленности ЭДС. Обе эти ЭДС равны по величине сформированного напряжения относительно центра или 0 точки. При работе такого трансформатора, ток на обоих полуобмотках сдвинут по фазе на 180 градусов.

Принцип работы данного выпрямителя следующий:

1. На трансформаторе имеются выводы «w21» и «w22», которые имеют противоположные значения .
2. К этим выводам подключаются аноды вентилей «vd1» и «vd2».
3. Напряжение, прикладываемое к каждому диоду, имеет противоположную фазу («u21»–«u22» на схеме).
4. За первый полупериод ток протекает через открытый диод «vd1». Через его анод протекает ток только с положительным потенциалом. В этот полупериод диод «vd2» находится в состоянии обратного смещения. Он заперт и не пропускает ток от обмотки «w22».
5. Во время второго полупериода, ток с положительным потенциалом находится на аноде «vd2», открывая при этом диод. Диод пропускает через себя ток от обмотки «w22». Диод «vd1» при этом остается закрытым.

Двухполупериодная схема с нулевой точкой работает за счет отсутствия момента подмагничивания. Каждая половина вторичной обмотки работает в свой полупериод, а значит трансформатор находится в состоянии постоянной нагрузки.

Плюсы

У схемы с нулевым выходом есть преимущества только перед моделью однопериодного выпрямителя. Основные достоинства такой схемы:

1. Во время работы осуществляется передача тока обоих потенциалов, тем самым сохраняется до 90% исходной энергии.
2. 2 диода равномерно распределяют нагрузку, продлевая свой срок службы и заметно занижая нагрузку на всю схему.
3. Схема двухполупериодного выпрямителя предполагает сглаженную пульсацию тока, без использования высоковольтных, емкостных конденсаторов.

Несмотря на ряд преимуществ, однофазные выпрямители с двумя диодами имеют свои недостатки, о которых будет рассказано ниже.

Минусы

Для работы такой сцепи обязательно необходим специальный трансформатор с 2 вторичными обмотками или одной разделенной, с нулевым выходом. Такие устройства сильно повышают затраты на производство высоковольтных, мощных приборов.

Также большим минусом является нагрузка обратным током. В схеме должны быть использованы диоды с номинальным напряжением до 1000 вольт и возможностью выдерживать температуру до +80 градусов. Если эти параметры не соблюдаются, то при закрытии диода будет формироваться повышенная температура и сопротивление. Превышения параметров приведет к пробою самого диода.

Следующим минусом является использование самого нулевого отвода. Подключение к нему предполагает только использования части доступной энергии, что сильно снижает потенциал таких устройств.

Кратко об управляемых преобразователях

Нередко требуется управлять напряжением на выходе преобразователя, не изменяя входное. Для этой цели наиболее оптимальным будет применение управляемых вентилей, пример такой реализации показан ниже.

Диодный мост

Второй разновидностью является двухполупериодный мостовой выпрямитель. Данная модель наиболее распространена в цепях бытовых и промышленных электронных приборов. Состав электронного элемента:

1. Трансформатор.
2. 4 полупроводниковых диода.
3. Конденсатор для сглаживания импульсов.
4. Резистор как дополнительное сопротивление.

Работает устройство по мостовой схеме следующим образом:

1. 4 полупроводниковых диода соединяются между собой в контур. Иными словами, они образуют пары.
2. Одна сторона каждой пары соединена с выводами вторичной обмотки трансформатора.
3. Две другие стороны соединены с цепью (нагрузкой). В случае с представленной схемой, нагрузкой является резистор «Rн».
4. При формировании первого полупериода, диоды «vd1-vd4» открываются и пропускают ток к нагрузочному резистору Rн. Диодная пара «vd2-vd3» закрыта.
5. Во время второго полупериода, 1 пара диодов (vd1-vd4) закрыта. В работу вступают диоды «vd2-vd3». Они открываются и перенаправляют ток к резистору Rн.

При такой работе остается эффект пульсации тока. Его сглаживают с помощью емкостного конденсатора.

Преимущества

Двухполупериодное мостовое выпрямление имеет одно неоспоримое преимущество перед схемами с меньшим количеством диодов. Оно заключается в величинах обратного выпрямленного тока и напряжения. Эти величины превышают те же параметры в других схемах в 2 и более раз. Тем самым, мостовая схема имеет значительно большее КПД.

Минусы

Недостатки диодного моста также заключены в количестве диодов. Каждые из 4 диодов сохраняют в закрытом положении величину обратного напряжения, которое равняется напряжению в однополупериодном выпрямителе. Тем самым, 4 диода не способствуют уменьшению нагрузки обратного тока на вторичную обмотку.

Несмотря на недостатки, схема мостового выпрямителя более распространенная. Она может монтироваться в качестве 4 диодов или в сборке. Сборка выглядит более практичным вариантом. Она занимает меньше места на печатной плате.

Проверка элементов

В большинстве случаев для проверки выпаивать мостик из платы не требуется. Тестировать его следует точно так же, как 4 p-n перехода с подключением по схеме диодного моста. Данное измерение настолько распространено, что его возможность реализована в любом мультиметре. Прибор для теста нужно переключить в режим диодной прозвонки.

Падение напряжения в прямом направлении на исправном выпрямительном диоде составляет 500-700 мВ. В обратном – прибор отобразит «1». Сгоревшая деталь чаще всего показывает в обоих направлениях «0», т.е. короткое замыкание. Реже бывает полный обрыв элемента (также в обе стороны). Все замеры следует повторить для каждого входящего в состав моста диода. Итого 8 измерений, т.е. 4 в прямом направлении и 4 – в обратном. Если тестируется диод Шоттки, то этот параметр составляет 200-400 мВ.

Сглаживание

Однофазный электрический двухполупериодный выпрямитель, независимо от того, сколько диодов он совмещает, требует дополнительного сглаживания выходного напряжения. Пульсация сильно влияет на работу самого устройства, для которого собран такой выпрямитель. Для сглаживания пульсации тока схема выпрямления дополняется фильтрами. Они могут быть собраны из:

1. Высокоемкостного конденсатора. Такой фильтр является емкостным или «С-фильтром». В момент открытия диода, конденсатор заполняется током и играет роль емкости. В момент закрытия диода, происходит постепенная разрядка емкости, тем самым сглаживается напряжение без каких-либо скачков.

   

2. Катушки индуктивности. Катушка индуктивности в качестве фильтра может использоваться в дополнение к конденсатору или вместо него. Работает такой фильтр по принципу отсутствия мгновенного изменения тока на катушке. При прохождении положительной полуволны по катушке, значение тока увеличивается плавно и медленно. При изменении полуволны на отрицательное значение, ток в катушке меняется с запаздыванием, что значительно снижает резкость пульсации.

   

При проектировании диодных выпрямителей учитывается нагрузка последующих элементов цепи. Так, если сопротивление после выпрямителя значительно малое, то использование емкостного фильтра нецелесообразно. При малой нагрузке потребуется более емкостный конденсатор. Таким образом для подобных схем с малым сопротивлением, более рационально использовать индуктивный фильтр.

Использование барьера Шоттки

Применение диода Шоттки оправдано в двух случаях. Во-первых, когда нужно выпрямить высокочастотный ток. Барьер Шоттки идеально подходит для подобной задачи, ведь он имеет низкую ёмкость перехода и, соответственно, является быстродействующим. Во-вторых, когда требуется выпрямить большой ток в десятки или сотни ампер. В этом случае деталь отлично себя показывает ввиду низкого падения напряжения и малого тепловыделения.

Диодные мосты в мире электроники играют роль согласующего элемента. С их помощью можно подключать устройства, требующие постоянный ток, к сети удобного для передачи переменного напряжения. Подобных устройств очень много в быту, они крайне важны для комфортной жизни человека.

Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).

Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.

Примешанные атомы начинают образовывать, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.

В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.

Расчет значения диодов

Диоды в двухполупериодных выпрямителях должны выдерживать нагрузку переменным током, нагревом, обратным напряжением. При подборе диода необходимо учесть:

1. Выходное напряжение до диода должно быть выше на 15–25% необходимого значения. Например, если требуется снять 12 вольт постоянного напряжения, то вторичная обмотка трансформатора должна выдавать не менее 15–17 вольт.
2. Рабочий порог тока должен быть в полтора-два раза выше тока выпрямителя. Максимальный ток каждого диода в цепи можно найти с использованием следующей формулы:

   

3. Выведенную по формуле величину можно использовать для определения значения обратного напряжения в состоянии закрытия. Данное значение должно быть в два раза больше выходного напряжения трансформатора, иначе возможен обратный p-n пробой. Делается это по такой формуле:

   

Также стоит учитывать материал, который используется в качестве полупроводника. Кремневые элементы более устойчивы к нагрузке обратным током и способны работать при температуре до +150 градусов. Германиевые менее устойчивы, их устойчивость к обратному напряжению составляет около 400 вольт.

Выбор типа сборки

Для каждой задачи существует свой оптимальный вариант выпрямительной диодной сборки. Все их можно условно разделить на 3 вида:

• Выпрямитель на одном диоде. Применяется в самых простых и дешёвых схемах, где нет к.л. требований к качеству выходного напряжения, как, например, в ночниках.
• Сдвоенный диод. Эти детали внешне похожи на транзисторы, ведь они выпускаются в таких же корпусах. Они также имеют 3 вывода. По сути, это два диода, помещённых в один корпус. Один из выводов – средний. Он может быть общим катодом или анодом внутренних диодов.
• Полноценный диодный мост. 4 детали в одном корпусе. Подходит для устройств с большими токами. Применяется в основном на входах и выходах различных блоков питания и зарядных устройств.

Дополнительная информация. Выпрямители используются и в автомобилях. Они нужны для преобразования идущего с генератора переменного напряжения в постоянное. Оно, в свою очередь, необходимо для зарядки аккумулятора. Обычный бензогенератор вырабатывает переменный ток.

Читать также: Делаем резную трость «Орёл»

Проектирование

Расчет даже простого двухполупериодного преобразователя является непростой задачей. Существенно упростить ее можно используя специальное программное обеспечение. Мы рекомендуем остановить выбор на программе Electronics Workbench, которая позволяет выполнить схематическое моделирование аналоговых и цифровых электрических устройств.

Смоделировав в этой программе двухполупериодный выпрямитель можно получить наглядное представление о принципе его работы. Встроенные формулы позволяют рассчитать максимальное обратное напряжение для диодов, оптимальную емкость гасящего конденсатора и т.д.

Трехфазный выпрямитель

Мы рассматривали различные реализации однофазных двухполупериодных преобразователей, но подобные устройства используются и для трехфазных источников. Ниже, в качестве примера, показано устройство, созданное по схеме Ларионова.

Как показывает расположенный выше график, реализация мостовой схемы между парами фаз позволяет получить на выходе незначительные пульсации. Благодаря этому фильтрующую емкость можно существенно снизить, или вообще обойтись без нее.