Двухполупериодный выпрямитель что такое?

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.

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Чтобы выпрямить оба полупериода синусоидальной волны, как мы уже говорили ранее, в мостовом выпрямителе используются четыре диода, соединенных вместе в конфигурации «моста». Вторичная обмотка трансформатора подключена с одной стороны диодного моста, а нагрузка — с другой.

На следующем рисунке показана схема мостового выпрямителя.

Во время положительного полупериода переменного напряжения диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, в то время как диоды D3 и D4 смещены в обратном направлении. Это создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе (обратите внимание на плюс-минус полярности на нагрузочном резисторе).

В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а диоды D1 и D2 — в обратном. Это также создает положительное напряжение на нагрузочном резисторе, как и раньше.

Обратите внимание, что независимо от полярности напряжения на входе, полярность на нагрузке постоянная, а ток в нагрузке течет в одном направлении. Таким образом, схема преобразует входное переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение.

Если вам трудно запомнить правильное расположение диодов в схеме мостового выпрямителя, вы можете обратиться к альтернативному представлению схемы. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды расположены горизонтально и направлены в одном направлении.

Значение постоянного напряжение выходного сигнала

Здесь формула для расчета среднего значения напряжения такая же, как и для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:

Это уравнение говорит нам, что значение постоянного напряжения составляет около 63,6 процента от пикового значения. Например, если пиковое переменное напряжение составляет 10 В, то постоянное напряжение будет 6,36 В.

Когда вы измеряете напряжение на выходе мостового выпрямителя с помощью вольтметра, показание будет равно среднему значению.

Принцип действия двухполупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки положителен, а нижний конец вторичной обмотки отрицателен. Диод D1 находится в состоянии прямого подключения, а диод D2 находится в состоянии обратного подключения, поскольку средняя точка отрицательна относительно положительной стороны вторичной обмотки и положительна относительно отрицательной стороны вторичной обмотки. Ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D1 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL представляет собой положительную полуволну.

Путь тока через двухполупериодный выпрямитель: D1 находится в состоянии прямого подключения

В течение второй половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки отрицателен, а нижний конец вторичной обмотки положителен. Диод D1 находится в состоянии обратного подключения, а диод D2 находится в состоянии прямого подключения. Как изображено на рисунке 3-7, ток протекает от средней точки через сопротивление нагрузки, через D2 к положительной стороне вторичной обмотки. Падение напряжения на сопротивлении RL снова представляет собой положительную полуволну.

Путь тока в двухполупериодном выпрямителе: D2 находится в состоянии прямого подключения

Поскольку ток протекает через сопротивление RL в одном и том же направлении в течение обеих половин цикла входного напряжения, через RL проходят две полуволны в течение каждого полного цикла. Тем не менее, поскольку у этого трансформатора есть средняя точка, падение напряжения на сопротивлении нагрузки представляет собой лишь

половину того, что могло бы быть, если бы нагрузка была соединена ко всей вторичной обмотке. Форма кривой выходного сигнала двухполупериодного выпрямителяЧитайте также Мостовой выпрямитель контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока Однополупериодный выпрямитель контур, проводящий во время одной половины цикла переменного тока Трансформатор электрическое устройство, передающее энергию переменного тока от одного контура к другому Повторитель напряжения имеет высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления равный единице Умножитель напряжения контур, способный выдать напряжение, в несколько раз превышающее полученное

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.

Свойства двухполупериодного выпрямителя

Основным свойством этих устройств является протекание электрического тока через нагрузку за оба полупериода в одном и том же направлении.

В приборах такого типа используются, в основном, мостовые или полумостовые схемы. В последнем случае однофазный ток выпрямляется с использованием специального трансформатора. В качестве вывода используется средняя точка вторичной обмотки, а количество элементов, выпрямляющих ток – в два раза меньше. В настоящее время полумостовая схема используется довольно редко из-за высокой металлоемкости и высокого активного внутреннего сопротивления, с большими потерями при нагревании трансформаторных обмоток.

Чаще всего используются двухполупериодные устройства, в схемах которых имеется сразу два вентиля. Электрический ток в нагрузке всегда протекает в одном и том же направлении. В результате, выпрямление тока происходит с участием двух полупериодов напряжения. Благодаря высокой частоте пульсаций, фильтрация выпрямляемого напряжения существенно облегчается.

Двухполупериодные выпрямители получили широкое распространение во многих радиоэлектронных устройствах, обеспечивая их нормальное питание. Возможность преобразования постоянного тока из одного напряжения в другое, дает возможность создавать в схемах питания различные напряжения при одном и том же источнике энергии.

Работа мостовой схемы

Разбираемся с электроизмерительными приборами

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.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Схема двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Для этой схемы необходим трансформатор, с двумя вторичными обмотками. Напряжение на диодах в два раза выше, чем при включении схемы с однополупериодным выпрямителем или при включении мостовой схемы. В этой схеме попеременно работают оба полупериода. В течении положительного полупериода работает одна часть схемы обозначенная В1, во время отрицательного полупериода работает вторая часть схемы обозначенная В2. Эта схема является менее экономичной, чем мостовая схема, в частности у неё более низкий коэффициент использования трансформатора. В этой схеме после диодов получается также пульсирующее напряжение, но частота пульсаций в два раза выше. Что мы и можем видеть на следующем графике:

График двухполупериодного выпрямителя

Сравнение мостовой схемы и схемы со средней точкой

Относительно мостового выпрямителя двухполупериодный преобразователь со средней точкой имеет удвоенное напряжение вдвое выше. Также в работе задействованы оба полупериода переменного тока. При положительной полуволне работает верхняя часть схемы, при отрицательной – нижняя.

Главным недостатком, по сравнению с выпрямителем на диодном мосту, является низкий КПД применения трансформирующего устройства. Частота колебаний сигнала вдвое выше, чем у мостовой схемы.

Величина выходного напряжения

Поскольку двухполупериодный выпрямитель выдает выходной сигнал в течение обоих полупериодов, он имеет в два раза больше положительных циклов, чем полуволновой выпрямитель. В результате среднее значение напряжения также в два раза больше:

Среднее значение напряжения за один цикл рассчитывается по следующей формуле:

Это уравнение указывает нам на то, что значение постоянного напряжения  составляет около 63,6% от пикового значения. Например, если пиковое напряжение входного сигнала составляет 10 В, напряжение на выходе выпрямителя будет 6,36 В

Когда вы измеряете при помощи вольтметра сигнал с выхода двухполупериодного выпрямителя, показания будут равны среднему значению.

Аппроксимация второго порядка

В действительности мы не получаем идеальное двухполупериодное напряжение на нагрузочном резисторе.

Из-за потенциального барьера, диод не включается, пока напряжение источника не достигнет около 0,7 В. Таким образом, выходное напряжение на 0,7 В ниже идеального пикового выходного напряжения.

Выходная частота

Двухполупериодный выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого у двухполупериодного выпрямителя на выходе есть в два раза больше циклов, чем на входе.

Поэтому частота двухполупериодного сигнала в два раза превышает входную частоту:

Например, если частота источника составляет 50 Гц, выходная частота будет 100 Гц.

Фильтрация постоянного напряжения

Сигнал на выходе, который мы получаем от двухполупериодного мостового выпрямителя, является по сути пульсирующим постоянным напряжением, которое вырастает до максимума, а затем снижается до нуля.

Для того чтобы избавиться от пульсаций, нам необходимо отфильтровать двухволновой сигнал. Один из способов сделать это — подключить сглаживающий конденсатор.

Первоначально конденсатор разряжен. На протяжении первой четверти цикла диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении и из-за этого сглаживающий конденсатор начинает заряжаться. Процесс заряда длится до тех пор, пока напряжение с мостового выпрямителя не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как напряжение с выпрямителя достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только напряжение снизиться ниже Vp соответствующая пара диодов (D1 и D2) не будет проводить.

Когда диоды выключены, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, конденсатор заряжается уже через диоды D3 и D4  до пикового значения.

Анализ двухполупериодного выпрямителя

Чтобы проанализировать схему двухполупериодного выпрямителя, предположим, что входное напряжение Vi равно

Vi=Vm sin omegat

Ток i1 через нагрузочный резистор RL определяется как

i1=Im sin omegat quadдля quad0 leq omegat leq pi

i1= quad0 quad quad quadдля quad pi leq omegat leq2 pi

куда

im= гидроразрываVmRF+RL

Rf — сопротивление диода в состоянии ВКЛ.

Аналогично, ток i2 , протекающий через диод D2 и нагрузочный резистор RL, определяется как

i2= quad0 quad quad quadдля quad0 leq omegat leq pi

i2=Im sin omegat quadдля quad pi leq omegat leq2 pi

Общий ток, протекающий через RL , является суммой двух токов i1 и i2 , т.е.

I=i1+i2

Среднее значение выходного тока, которое показывает амперметр постоянного тока, определяется как

Idc= frac12 pi int2 pi0i1d left( omegat right)+ frac12 pi int2 pi0i2d left( omegat right)

= frac12 pi int pi0Im sin omegatd left( omegat right)+0+0+

frac12 pi int2 pi0Im sin omegatd left( omegat right)

= fracIm pi+ fracIm pi= frac2Im pi=0.636Im

Это вдвое превышает значение полуволнового выпрямителя.

Выходное напряжение постоянного тока на нагрузке определяется как

Vdc=Idc timesRL= frac2ImRL pi=0.636ImRL

Таким образом, выходное напряжение постоянного тока в два раза выше, чем у полуволнового выпрямителя.

Среднеквадратичное значение тока определяется как

Irms= left[ frac1 pi int pi0t2d left( omegat right) right] гидроразрыва12

Поскольку ток имеет две одинаковые формы в двух половинах

= left[ fracI2m pi int pi0 sin2 omegatd left( omegat right) right] frac12

= гидроразрываim SQRT2

Эффективность выпрямителя определяется как

ета= гидроразрываР−постоянногоР−ас

Сейчас,

Pdc= left(Vdc right)2/RL= left(2Vm/ pi right)2

А также,

Pac= left(Vrms right)2/RL= left(Vm/ sqrt2 right)2

Следовательно,

eta= fracPdcPac= frac left(2Vm/ pi right)2 left(Vm/ sqrt2 right)2= гидроразрыва8 р2

=0,812=81,2%

Эффективность выпрямителя можно рассчитать следующим образом:

Выходная мощность постоянного тока,

Pdc=I2dcRL= frac4I2m pi2 timesRL

Входная мощность переменного тока,

$$ P_ {ac} = I_ {rms} ^ {2} left (R_f + R_L right) = frac {I_ {m} ^ {2}} {2} left (R_f + R_L right) $ $

Следовательно,

eta= frac4I2mRL/ pi2I2m left(Rf+RL right)/2= frac8 pi2 fracRL left(Rf+RL right)

=  frac {0.812} { left  {1+  left (R_f / R_L  right)  right }}

Следовательно, процентная эффективность

= frac0.8121+ left(Rf+RL right)

=81.2% quadifRf=0

Таким образом, двухполупериодный выпрямитель имеет эффективность, в два раза превышающую эффективность полуволнового выпрямителя.

Форм-фактор выпрямленного выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя задается

F= гидроразрываIэффIпостоянноготока= гидроразрываim/ SQRT22Im/ р=1,11

Коэффициент пульсации  gamma определяется как (с использованием теории цепей переменного тока)

gamma= left[ left( fracIrmsIdc right)−1 right] frac12= left(F2−1 справа) frac12

= left[ left(1.11 right)2−1 right] frac12=0,48

Это значительное улучшение по сравнению с коэффициентом пульсации полуволнового выпрямителя, равным 1,21.

Выходное напряжение постоянного тока определяется как

Vdc= frac2ImRL pi= frac2VmRL pi left(Rf+RL right)

= frac2Vm pi left[1− fracRfRf+RL right]= frac2Vm pi−IdcRf

TUF полуволнового выпрямителя составляет 0,287

В выпрямителе с центральным отводом имеются две вторичные обмотки, и, следовательно, TUF двухполупериодного выпрямителя с центральным выводом

left(TUF right)avg= fracPdcVAрейтингofaтрансформатор

= frac left(TUF right)p+ left(TUF right)s+ left(TUF right)s3

= гидроразрыва0,812+0,287+0,2873=0,693

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.

Преобразователь напряжения своими руками

Покупка преобразователя напряжения не всегда выглядит логичной. Стоимость устройства может быть значительной. Поэтому многие предпочитают собирать такие собственноручно. Радиоэлементы извлекаются из блоков питания компьютеров и других приборов. Однако подключать к простейшему элементу чувствительную к перепадам напряжения технику нежелательно.

Схема импульсного преобразователя

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%.

Подведем итоги

• Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
• Однополупериодный выпрямитель – это схема, которая позволяет только одной половине синусоиды переменного напряжения достичь нагрузки, давая на ней в результате неизменяющуюся полярность. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, значительно “пульсирует”.
• Двухполупериодный выпрямитель – это схема, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одной полярности. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, “пульсирует” не так сильно.
• Многофазное переменное напряжении при выпрямлении дает более “гладкую” форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.