Меню

Временная диаграмма напряжения для однополупериодного выпрямителя

Однофазный однополупериодный выпрямитель

date image2014-02-02
views image24784

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Классификация и основные параметры выпрямителей

Применение полупроводниковых диодов. Однофазные выпрямители

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного напряжения в постоянное.

Основными элементами выпрямителя являются трансформатор и диоды, с помощью которых обеспечивается одностороннее протекание тока в цепи нагрузки, в результате чего переменное напряжение преобразуется в пульсирующее. С помощью трансформатора в выпрямителях производится преобразование величины напряжения, электрическое разделение отдельных цепей, преобразование числа фаз.

В зависимости от числа фаз питающего напряжения различают схемы однофазного и трехфазного выпрямления.

Основными величинами, характеризующими эксплуатационные свойства выпрямителей, являются:

— коэффициент полезного действия h;

— коэффициент мощности c;

— внешняя характеристика — зависимость напряжения в нагрузке от тока нагрузки Ud = f(Id);

— коэффициент пульсаций Кп — отношение амплитуды пульсаций выходного напряжения к среднему значению выпрямленного напряжения (постоянной составляющей).

В зависимости от характера нагрузки изменяется режим работы трансформатора и диодов. Различают режимы работы выпрямителя на чисто активную, активно-индуктивную и активно-ёмкостную нагрузки.

Рассмотрим работу различных схем однофазных выпрямителей на активную нагрузку.

Схема однофазного однополупериодного выпрямителя представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Однофазный однополупериодный выпрямитель

На схеме приняты следующие обозначения напряжений и токов:

— U1, U2 – действующие значения напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора;

— I1, I2 – действующие значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора;

— Ud – среднее значение выпрямленного напряжения;

— Id – среднее значение выпрямленного тока.

Анализ работы схемы проведём по упрощённой методике, без учёта потерь напряжения на активном сопротивлении обмоток трансформатора и динамическом сопротивлении открытого диода.

Рассмотрим временную диаграмму работы схемы (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Временная диаграмма работы однофазного однополупериодного выпрямителя

Под действием переменного напряжения u2 = U2m sinwt вторичной обмотки ток в цепи нагрузки может проходить только в течение нечётных полупериодов, когда анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. В чётные полупериоды, когда потенциал анода становится отрицательным, ток в цепи равен нулю.

Мгновенное значение выпрямленного тока:

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Среднее значение выпрямленного тока (а также тока диода):

Действующее (эффективное) значение тока диода:

Максимальное обратное напряжение на диоде достигает амплитудного значения напряжения вторичной обмотки:

По найденным величинам Ia, Ia.эф и Ub.max выбирается диод для работы в схеме. Согласно полученным результатам диод должен допускать максимальное обратное напряжение в 3,14 раза превышающее напряжение в нагрузке, или в Ö2 раз больше напряжения вторичной обмотки трансформатора. Переменная составляющая выпрямленного напряжения и тока для данной схемы, как следует из временных диаграмм для u и i, велика, причем основная гармоника пульсаций имеет частоту, равную частоте питающей сети.

Рассмотрим режим работы трансформатора. Действующее значение тока вторичной обмотки:

Отношение действующего значения фазного тока I2 к его среднему значению I2cp называется коэффициентом формы тока D (или Кф):

Постоянная составляющая фазного тока:

где m2 – число фаз вторичной обмотки трансформатора. В рассматриваемой схеме m2 = 1.

Следовательно, для рассматриваемой схемы коэффициент формы тока:

Действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора:

Расчетная мощность вторичной обмотки трансформатора:

Действующее значение тока в первичной обмотке трансформатора можно определить из уравнения магнитного равновесия трансформатора, если пренебречь током намагничивания и учесть, что постоянная составляющая тока в первичную обмотку не трансформируется. Уравнение магнитного равновесия трансформатора по переменному току

Мгновенное значение тока первичной обмотки

где n – коэффициент трансформации.

Действующее значение тока первичной обмотки трансформатора:

Расчетная мощность первичной обмотки:

Расчетная (типовая) мощность трансформатора:

Коэффициент использования трансформатора по мощности:

Коэффициент мощности выпрямителя в общем виде определяется как:

где — активная мощность первичной обмотки, представляющая собой среднее значение мощности переменного тока за период и определяющаяся как сумма активных мощностей отдельных гармонических составляющих тока;

— полная мощность первичной обмотки.

Если полагать, что напряжение питающей сети синусоидально, то . Следовательно, коэффициент мощности

где — коэффициент искажений;

j1 – угол сдвига фаз между напряжением питающей сети и первой гармоникой тока первичной обмотки.

В рассматриваемом случае j1 = 0, но коэффициент мощности меньше единицы, так как n = 0,9

Источник

Однофазные выпрямители: типовые схемы, осциллограммы и моделирование

Выпрямитель используется в цепи переменного тока для его преобразования в постоянный. Наиболее распространенным является выпрямитель, собранный из полупроводниковых диодов. При этом он, может быть собрать из дискретных (отдельных) диодов, либо быть в одном корпусе (диодная сборка).

Давайте рассмотрим, что такое выпрямитель, какими они бывают, а в конце статьи проведем имитационное моделирование в среде Multisim. Моделирование помогает закрепить теорию на практике, без сборки и реальных компонентов просмотреть формы напряжений и токов в цепи.

Схемы выпрямителей переменного напряжения

На изображениях выше представлен внешний вид диодных мостов. Но это не единственная схема выпрямления. Для однофазного напряжения существует три распространенных схемы выпрямления:

1. 1-полупериодная (1ф1п).

2. 2-полупериодная (1ф2п).

3. 2-полупериодная со средней точкой (1ф2п).

Однополупериодная схема выпрямления

Самая простая схема состоит всего лишь из одного диода, даёт на выходе постоянное нестабилизированное пульсирующее напряжение. Диоды подключается в цепь питания на фазный провод, либо на один из выводов обмотки трансформатора, вторым концом к нагрузке, второй полюс нагрузки – к нулевому проводу или второму выводу обмотки трансформатора.

Читайте также:  Датчик холла максимальное напряжение

Действующее значение напряжение в нагрузке равняется примерно половине амплитудного. Амплитудное значение напряжения это размах синусоиды питающей сети в общем случае для переменного тока

Uампл = Uдейств * √2.

Для электросетей России действующие напряжение однофазной сети – 220 В, а амплитудное примерно 311

Простыми словами – на выходе мы получаем пульсации длиною в пол периода (20 мс для 50 Гц) от 0 В, до 311 В. В среднем напряжение получается меньше чем 220 вольт, это используют для питания нетребовательных к качеству напряжения потребителей или для включения ламп накаливания в подсобных, хозяйственных помещениях и подъездах. Так снижается потребляемая мощность и возрастает срок службы.

Лирическое отступление:

Долговечность таких светильников колоссальная, я пришел в цех год назад, а лампу установили еще в 2013 году, так она до сих пор светит по 12 часов каждые сутки. Но такой свет нельзя использовать в рабочих помещениях, из-за высоких пульсаций. Осциллограмы входных и выходных напряжений изображены ниже:

Однополупериодная схема отсекает только одну полуволну, что вы и видите на эпюре выше. Из-за такого питания мы получаем большой коэффициент пульсаций.

Стоит сказать, что если немного сменить тему и перейти от сетевых выпрямителей, то однополупериодная схема широко используется в импульсной схемотехнике, выпрямляя напряжение вторичной обмотки импульсного трансформатора.

На маломощных импульсных источниках питания тоже используют эту схему. Именно так, скорее всего, сделано ваше зарядное устройство для мобильного телефона.

Двухполупериодная схема

Для снижения коэффициента пульсаций и ёмкости фильтра используют другую схему – двухполупериодную. Называется она – диодный мост. Переменное напряжение поступает на точку соединения разноименных полюсов диодов, а постоянное по знаку с одноименных. Выходное напряжение такого моста называют выпрямленным пульсирующим (или не стабилизированным). Именно такое включение диодов наиболее распространено во всех сферах электроники.

Двухполупериодная схема

На эпюрах вы видим, что обе вторая полуволна переменного напряжения «переворачивается» и поступает в нагрузку. В первую половину периода ток протекает через диоды VD1-VD4, во вторую через пару VD2-VD3.

Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц

Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц

Вторая схема используется в источниках питания со средней точкой, по сути это две однополупериодные объединенные со вторичной обмоткой трансформатора со средней точкой. Аноды подсоединяются к крайним концам обмотки, катоды к одному вывод нагрузки (плюсовой), второй вывод нагрузки подсоединяется к отводу от середины обмотки (средней точке).

Вторая двухполупериодная схема

График выходного напряжения аналогичен и мы его рассматривать не будем. Существенное отличие лишь в том, что ток одновременно протекает через один диод, а не через пару как в мосте. Это снижает потери энергии на диодном мосте и лишний нагрев полупроводников.

Уменьшение коэффициента пульсаций

Коэффициент пульсаций – это величина, которая отражает насколько сильно пульсирует выходное напряжение. Или наоборот – насколько стабильно и равномерно ток подаётся в нагрузку.

Чтобы снизить коэффициент пульсаций параллельно нагрузке (выходу диодного моста) устанавливают всевозможные фильтры. Самый простой вариант – установить конденсатор. Чтобы пульсации были как можно меньше, постоянная времени Rнагрузки Cфильтра должна быть на порядок (а лучше несколько) больше периода пульсаций (в нашем случае 10 мс).

Для этого либо нагрузка должна иметь высокое сопротивление и малый ток, либо ёмкость конденсатора достаточно большой.

Расчетное соотношение для подбора конденсатора выглядит так:

Расчетное соотношение для подбора конденсатора

Кп – это требуемый коэффициет пульсаций.

Для улучшения ряда характеристик фильтра могут применяться LC цепи, соединенные по схеме Г или П-фильтра, в отдельных случаях и другие конфигурации. Недостатком использования LC фильтров в радиолюбительской практики является необходимость подбора фильтрующего дросселя. А нужного по номиналу (индуктивности и току) зачастую нет под рукой. Поэтому приходится либо мотать самому, либо выходить из сложившейся ситуации другим образом – выпаяв из подобного по мощности блока питания.

Моделирование однофазных выпрямителей

Давайте закрепим эту информацию на практике и займемся моделированием электроцепей. Я решил, что для создания модели такой простой схемы отлично подойдет пакет Multisim – он наиболее прост в освоении из всех мне известных и меньше всего требует ресуров.

Однако алгоритмы моделирования у него проще чем в Orcad или Simulink (хотя это и математическое моделирование, а не имитационное), поэтому результаты моделирования некоторых схем не являются достоверными. Multisim подходит для изучения основ электроники, режимов работы транзистора, операционных усилителей.

Не стоит недооценивать возможностей этой программы, при должном подходе она способна отобразить работу сложных устройств.

Мы рассмотрим модели первых двух схем, третья схема, по существу аналогична второй, но имеет меньшие потери за счет исключения двух ключей и большую сложность – из-за необходимости применения трансформатора с отводом от середины вторичной обмотки.

Читайте также:  Трансформатор или стабилизатор напряжения для дома

Однополупериодная схема

Однополупериодная схема

Схема, по которой происходит моделирование

Источник питания имитирует однофазную бытовую сеть с характеристиками:

220 в действующее напряжение;

В программе я не нашел амперметра и вольтметра, их роль выполняют мультиметры. Позже обратите внимание на обилие их настройки, и возможность выбора рода тока.

В приведенной модели мультиметр XMM1 – измеряет ток в нагрузке, XMM3 – напряжение на выходе выпрямителя, XMM2 – напряжение на входе, XSC2 – осциллограф. Обращайте внимание на подписи элементов – это исключит вопросы при анализе рисунков, которые будут ниже. Кстати в Multisim представлены модели реальных диодов, я выбрал самый распространенный 1n4007.

Осциллограма в Multisim

Красным цветом изображена осциллограмма на входе (канал А) в поле с результатами измерений. Синим цветом – выходное напряжение (канал В). У первого канала цена деления одной клеточки по вертикали – 200 В/дел, а у второго канала – 500. Я нарочно так сделал, чтоб разделить осциллограммы визуально иначе они сливались. Желтая вертикальная линия в левой трети экрана – это измеритель, величина напряжений в точке с максимальной амплитудой описана ниже черного экрана.

Амплитуда входа – 311.128 В, как и было сказано в начале статьи, а на выходе – 310.281 разница почти в один вольт обусловлена падением на диоде. В правой части изображения результаты измерений мультиметров. Названия окон соответствуют названиям мультиметров XMM в схеме.

Из эпюры мы видим, что действительно в нагрузку поступает только одна полуволна напряжения, а среднее его значение – 98 В, что больше чем в двое меньше входного действующего 220 В переменного по знаку.

На следующей схеме мы добавили фильтрующий конденсатор и один мультиметр для измерения тока нагрузки, запомните их подписи, чтобы не запутаться при изучении рисунков.

Резистор перед диодом нужен для измерения тока заряда конденсатор, чтобы узнать ток – разделите число вольт на 1 (сопротивление). Однако в дальнейшем мы заметим, что при больших токах на резисторе падает значительное напряжение, которое может сбить с толку при измерениях, в реальных условиях – это вызвало бы нагрев резистора и потерю КПД.

Схема

На осциллограмме изображено оранжевым входное напряжение, а красным входной ток. Кстати здесь заметен сдвиг тока в сторону опережения напряжения.

Осциллограма

На осциллограмме выходного сигнала мы видим как работает конденсатор – напряжение в нагрузке в то время, когда диод закрыт и проходит одна полуволна, спадает плавно, среднее его значение вырастает, а пульсации снижаются. После, на положительной полуволне, конденсатор подзаряжается и процесс повторяется.

Осциллограмма в Multisim

Увеличив сопротивление нагрузки в 10 раз, мы снизили ток, конденсатор не успевает разряжаться, пульсации стали гораздо меньше, таким образом мы доказали теоретические сведения описанные в предыдущем разделе о пульсациях и влиянии на них тока и ёмкости. Для того чтобы показать это мы могли изменить ёмкость конденсатора.

Осциллограмма в Multisim

Входной сигнал тоже изменился – токи заряда снизились, а их форма осталась прежней.

Осциллограмма в Multisim

Двухполупериодная схема

Давайте рассмотрим, как выглядит в действии схема выпрямления обоих полупериодов. Мы установили на вход диодный мост.

Двухполупериодная схема

На осциллограммах видно, что в нагрузку поступают обе полуволны, но пульсации очень большие.

Осциллограмма в Multisim

На входной осциллограмме появилась нижня часть полуволны у тока (красным цветом).

Осциллограмма в Multisim

Снизим пульсации установив фильтрующий электролитическй конденсатор по входу. На практике желательно параллельно ему установить еще и керамический, чтобы снизить высокочастотные составляющие синусоиды (гармоники).

Двухполупериодная схема

На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора (она становится положительной после моста).

На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора

На выходной осциллограмме видно, что пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором, обратите внимание – напряжение стремится к амплитудному, чем меньше пульсаций – тем ближе его среднее значение к амплитуде.

Пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором

Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе.

Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе

И бОльшие токи зарядов на входе, очень заметно смещение тока фазы. Процесс заряда конденсатора происходит не линейно, а экспоненциально, поэтому мы видим, что напряжение повышается, а ток падает.

Осциллограмма

Заключение

Выпрямители широко используются во всех сферах электроники и электричестве в целом. Выпрямительные цепи устанавливаются везде – от миниатюрных блоков питания и радиоприёмниках до цепей питания мощнейших двигателей постоянного тока в крановом оборудовании.

Моделирование отлично помогает понять процессы протекающих в схемах и изучить, как изменяются токи от изменения параметров цепи. Развитие современных технологий позволяет изучать сложные электрические процессы без наличия дорогого оборудования типа спектральных анализаторов, частотомеров, осциллографов, самописцев и сверхточных вольт-амперметров. Оно позволяет избежать ошибок при проектировании схем перед сборкой.

Источник



Основные схемы выпрямления, временные диаграммы.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

Читайте также:  Как получить напряжение 100 кв

Однофазная однополупериодная (однотактная) схема выпрямления

На рисунке 1 представлена простейшая схема выпрямления. Схема содержит один выпрямительный диод, включенный между вторичной обмоткой трансформатора и нагрузкой.

Рисунок 1 — Однофазный однополупериодный выпрямитель: а) схема — диод открыт, б) схема — диод закрыт, в) временные диаграммы работы

Напряжение u2 изменяется по синусоидальному закону, т.е. содержит положительные и отрицательные полуволны (полупериоды). Ток в цепи нагрузки проходит только в положительные полупериоды, когда к аноду диода VD прикладывается положительный потенциал (рис. 1, а). При обратной полярности напряжения u2 диод закрыт, ток в нагрузке не протекает, но к диоду прикладывается обратное напряжение Uобр (рис. 1, б).

Т.е. на нагрузке выделяется только одна полуволна напряжения вторичной обмотки. Ток в нагрузке протекает только в одном направлении и представляет собой выпрямленный ток, хотя носит пульсирующий характер (рис. 1, в). Такую форму напряжения (тока) называют постоянно-импульсная.

Выпрямленные напряжения и ток содержат постоянную (полезную) составляющую и переменную составляющую (пульсации). Качественная сторона работы выпрямителя оценивается соотношениями между полезной составляющей и пульсациями напряжения и тока. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет 1,57. Среднее за период значение выпрямленного напряжения Uн = 0,45U2. Максимальное значение обратного напряжения на диоде Uобр.max = 3,14Uн.

Достоинством данной схемы является простота, недостатки: плохое использование трансформатора, большое обратное напряжение на диоде, большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

Однофазная мостовая схема выпрямления

Состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме. В одну диагональ моста включается вторичная обмотка трансформатора, в другую – нагрузка (рис. 2). Общая точка катодов диодов VD2, VD4 является положительным полюсом выпрямителя, общая точка анодов диодов VD1, VD3 — отрицательным полюсом.

Рисунок 2 — Однофазный мостовой выпрямитель: а) схема — выпрямление положительной полуволны, б) выпрямление отрицательной полуволны, в) временные диаграммы работы

Полярность напряжения во вторичной обмотке меняется с частотой питающей сети. Диоды в этой схеме работают парами поочередно. В положительный полупериод напряжения u2 проводят ток диоды VD2, VD3, а к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение, и они закрыты. В отрицательный полупериод напряжения u2 ток протекает через диоды VD1, VD4, а диоды VD2, VD3 закрыты. Ток в нагрузке проходит все время в одном направлении.

Схема является двухполупериодной (двухтактной), т.к. на нагрузке выделяется оба полупериода сетевого напряжения Uн = 0,9U2, коэффициент пульсаций — 0,67.

спользования мостовой схемы включения диодов позволяет для выпрямления двух полупериодов использовать однофазный трансформатор. Кроме того, обратное напряжение, прикладываемое к диоду в 2 раза меньше.

Питание постоянным током потребителей средней и большой мощности производится от трехфазных выпрямителей, применение которых снижает загрузку диодов по току и уменьшает коэффициент пульсаций.

Трехфазная мостовая схема выпрямления

Схема состоит из шести диодов, которые разделены на две группы (рис. 2.61, а): катодную — диоды VD1, VD3, VD5 и анодную VD2, VD4, VD6. Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов диодов, т.е. к диагонали выпрямленного моста. Схема подключается к трехфазной сети.

Рисунок 3 — Трехфазный мостовой выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

В каждый момент времени ток нагрузки протекает через два диода. В катодной группе в течение каждой трети периода работает диод с наиболее высоким потенциалом анода (рис. 3, б). В анодной группе в данную часть периода работает тот диод, у которого катод имеет наиболее отрицательный потенциал. Каждый из диодов работает в течение одной трети периода. Коэффициент пульсаций данной схемы составляет всего 0,057.

Управляемыми выпрямителями — выпрямители, которые совместно с выпрямление переменного напряжения (тока) обеспечивают регулирование величины выпрямленного напряжения (тока).Схемы управляемых выпрямителей строятся на тиристорах и основаны на управлении моментом открытия тиристоров.

На рисунке 4,а представлена схема однофазного управляемого выпрямителя. Для возможности выпрямления двух полуволн сетевого напряжения используется трансформатор с двухфазной вторичной обмоткой, в которой формируется два напряжения с противоположными фазами. В каждую фазу включается тиристор. Положительный полупериод напряжения U2 выпрямляет тиристор VS1, отрицательный – VS2.

Схема управления СУ формирует импульсы для открывания тиристоров. Время подачи открывающих импульсов определяет, какая часть полуволны выделяется на нагрузке. Тиристор отпирается при наличии положительного напряжения на аноде и открывающего импульса на управляющем электроде.

Если импульс приходит в момент времени t0 (рис. 4,б) тиристор открыт в течении всего полупериода и на нагрузке максимальное напряжение, если в моменты времени t1, t2, t3, то только часть сетевого напряжения выделяется в нагрузке.

Рисунок 4 — Однофазный выпрямитель: а) схема, б) временные диаграммы работы

Угол задержки, отсчитываемый от момента естественного отпирания тиристора, выраженный в градусах, называется углом управления или регулирования и обозначается буквой α. Изменяя угол α (сдвиг по фазе управляющих импульсов относительно напряжения на анодах тиристоров), мы изменяться время открытого состояния тиристоров и соответственно выпрямленное напряжение на нагрузке.

Источник