Меню

Ток нагрузки двухполупериодного выпрямителя формула



Электроника

учебно-справочное пособие

  • Главная
  • Теория
  • Практика
  • Справочники
  • Схемы
  • Arduino
  • Тесты

Расчет выпрямителей напряжения

Выпрямители относятся ко вторичным источникам электропитания, для которых первичным источником являются сети переменного тока. Выпрямитель — это устройство, которое преобразует переменное напряжение питающей сети в однонаправленное пульсирующее. Именно однонаправленное пульсирующее так как назвать его постоянным немного некорректно. Существует и несколько иное определение: выпрямитель предназначен для преобразования переменного напряжения в импульсное напряжение одной полярности.

Выпрямители могут быть однополупериодные и двуполупериодные. К тому же они разделяются на однофазные и многофазные.

Однополупериодный выпрямитель

Рис. 1 — Диаграмма напряжений однополупериодного выпрямителя

Схема однополупериодного выпрямителя до боли проста и объяснять тут нечего. Для наглядности положительные и отрицательные полуволны показаны разными цветами (рис. 1). Поскольку диод обладает свойствами односторонней проводимости, на выходе получается пульсирующее напряжение одной полярности. Для схемы характерны следующие параметры:

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Действующее значение входного напряжения:

Среднее значение выпрямленного тока:

Действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора:

Достоинства схемы — простота конструкции.

Недостатки — большие пульсации, малые значения выпрямленного тока и напряжения, низкий КПД.

Применяется такая схема для питания низкоомных нагрузок, некритичных к высоким пульсациям. В бытовой технике однолупериодные выпрямители применяются в основном в импульсных источниках питания: из-за большой рабочей частоты (около 15 кГц а иногда и выше) пульсации не столь чувствительны и их легче сгладить.

Двухполупериодный выпрямитель

Схема выпрямления с выводом от средней точки трансформатора

Рис. 2 — Диаграмма напряжений схемы выпрямителя с выводом от средней точки трансформатора

Пунктиром показано напряжение на входе второго диода. Как видно из графиков, во время первого полупериода первый диод открыт и на нагрузке создается падение напряжения. Во время второго полупериода первый диод закрывается, поскольку оказывается включенным в обратном направлении, а второй, наоборот, открывается и на нагрузке снова выделяется положительная полуволна. На схеме плюсиками и минусами обозначено действие полуволн переменного тока. Частота пульсаций двуполупериодного выпрямителя вдвое больше, что является его достоинством. Для такой схемы характерны следующие параметры:

Достоинства: удвоенные значения Uср и Iср , вдвое меньший коэффициент пульсаций по сравнению с однополупериодной схемой.

Недостатки: наличие трансформатора с двумя симметричными обмотками (что увеличивает его массогабаритные показатели). К тому же на диодах удвоенное обратное напряжение.

Мостовая схема выпрямителя

Рис. 3 — Схема мостового выпрямителя

Параметры такие же, как и двухполупериодной схемы со средним выводом, кроме обратного напряжения (оно в два раза меньше). Положительная полуволна (с верхнего по схеме вывода трансформатора) проходит через диод VD2, затем через нагрузку, затем через VD3 ко второму выводу трансформатора. При смене направления тока работают диоды VD4, VD1. Недостатком схемы считается удвоенное число диодов.

Достоинство — не нужен трансформатор со средней точкой.

Трехфазный выпрямитель

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

Рис. 4 — Схема и диаграммы напряжений трехфазного однополупериодного выпрямителя

Каждая фаза смещена относительно другой на угол 120°. На нагрузке работает та фаза, у которой больше значение положительной полуволны в данный момент времени. В схеме диоды используются в течении 1/3 периода. При этом необходимо наличие средней точки.

Среднее значение выпрямленного напряжения:

Двухполупериодный трехфазный выпрямитель

Рис. 5 — Схема двухполупериодного трехфазного выпрямителя

По принципу действия такая схема аналогична однофазной двухполупериодной (мостовой). Для нее характерно:

Находит применение при различных величинах входного напряжения и токах нагрузки в сотни Ампер. Схема экономична, имеет низкие пульсации. Однако в реальных схемах коэффициент пульсаций составляет 8-10% из-за несимметричности фазных питающих напряжений.

Источники:

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2019

Источник

Тема: Расчет двухполупериодного выпрямителя

Цель: Формирование у студента компетенции ПК-18, ПК-45

Теоретическая часть

Двухполупериодный выпрямитель. Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовыми и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Эти выпрямители являются более мощными, чем однополупериодные, так как с их помощью нагрузочные устройства используют для своего питания оба полупериода напряжения сети. Они свободны от недостатков, свойственных однополупериодным выпрямителям. Однако это достигается за счет усложнения схем двухполупериодных выпрямителей.

Наибольшее распространение получил двухполупериодный мостовой выпрямитель (рисунок 3.1а).Он состоит из трансформатора и четырех диодов, подключенных к вторичной обмотке трансформатора по мостовой схеме. К одной из диагоналей моста подсоединяется вторичная обмотка трансформатора, а к другой – нагрузочный резистор . Каждая пара диодов VD1, VD4 и VD2, VD3 работает поочередно.

Диоды VD1, VD4 открыты в первый полупериод напряжения вторичной обмотки трансформатора (интервал времени 0 – Т/2). При этом в нагрузочном резисторе появляется ток . В этом интервале диоды VD2, VD3 закрыты.

Читайте также:  Как рассчитать медную шину по току

В следующий полупериод напряжения вторичной обмотки (интервал времени Т/2 – Т) диоды VD2, VD3 открыты, а диоды VD1, VD4 закрыты. В оба полупериода через нагрузочный резистор протекает ток, имеющий одно и то же направление.

Анализ временных диаграмм позволяет получить выражения для средних значений выпрямленных напряжений и токов:

Средний ток каждого диода:

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Максимальное обратное напряжение на диодах

Максимальный прямой ток диода

Коэффициент пульсаций можно получить из разложения в ряд Фурье выходного напряжения двухполупериодного выпрямителя:

Частота основной гармоники .

Анализ приведенных соотношений показывает, что при одинаковых значениях параметров трансформаторов и сопротивления мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет следующие пре­имущества: средние значения выпрямленных тока и напряжения , в 2 раза больше, а пульсации значительно меньше.

В то же время максимальное обратное напряжение на каждом из за­крытых диодов, которые по отношению к зажимам вторичной обмотки вклю­чены параллельно, имеет такое же значение, что и в однополупериодном выпрямителе, т.е. . Все эти преимущества достигнуты за счет увеличения числа диодов в 4 раза, что является основным недостатком мостового выпрямителя.

Промышленность выпускает полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.

Задачи

1. Какое напряжение покажет вольтметр магнитоэлектрической системы (рисунок 3.2), если В.

2. В двухполупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора В, сопротивление нагрузки =130 Ом. Определить и , а также параметры необходимых диодов.

3. Определить ток нагрузочного резистора =120 Оммостового выпрямителя, если напряжение вторичной обмотки =50 В, а прямое сопротивление каждого полупроводникового диода = 10 Ом.

4. Для схемы двухполупериодного выпрямителя с индуктивным сглаживающим фильтром определить коэффициент сглаживания, если известно, что амплитуда напряжения вторичной обмотки трансформатора В, выпрямленный ток, проходящий через нагрузку равен 200 мА, частота сети f = 50 Гц, индуктивность дросселя Lф = 10 Гн.

5. Для мостовой схемы выпрямителя (диоды считать идеальными) известно сопротивление нагрузки = 600 Ом и ток через этот резистор = 300 мА. Напряжение В. Требуется выбрать диоды и рассчитать коэффициент трансформации.

6. Для питания постоянным током потребителя мощностью 800 Вт при напряжении Ud = 100 В необходимо собрать схему двухполупериодного выпрямителя с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора, подобрав диоды из справочника. Указать допустимые параметры выбранных диодов.

Вопросы к практическому занятию

1. Из чего состоит двухполупериодный выпрямитель?

2. Приведите соотношения между входным напряжением выпрямителя и средним его значением.

3. Поясните связь между действующим значением тока выпрямителя и его постоянной составляющей.

4. Чему равен коэффициент пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

5. Как определяется частота пульсаций для двухполупериодного выпрямителя?

6. Перечислите достоинства двухполупериодного выпрямителя в сравнении с однополупериодным?

7. Как отразится на работе мостового выпрямителя обрыв одного из диодов?

8. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

9. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя.

Практическое занятие 4

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Источник

Двухполупериодные выпрямители

date image2014-02-04
views image4456

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Лекция 15

Двухполупериодные выпрямители подразделяются на выпрямители с нулевым выводом трансформатора (рис.8.3) и на мостовые выпрямители (рис.8.4). На рис.8.5 показаны временные зависимости мгновенных напряжений (для схемы рис.8.3) и мгновенного напряжения (для схемы рис.8.4) на входе выпрямителей, а также мгновенных значений напряжения и тока на выходе обоих выпрямителей.

Рис.8.3. Двухполупериодный выпрямитель с нулевым выводом трансформатора

Рис.8.4. Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Схемы представленных выпрямителей работают только при положительных потенциалах напряжений в точках а и б. Если в течение первого полупериода в точках а, будут положительные потенциалы, то в точках б – отрицательные. В этом случае токи нагрузок от точек с положительными потенциалами будут проходить в направлениях к точкам с отрицательными потенциалами через диоды VD1 (рис.8.3) и VD1,VD3 (рис.8.4). Во второй полупериод в точках а будут отрицательные потенциалы, а в точках б – положительные. Тогда токи нагрузок пойдут через диоды VD2 (рис.8.3) и VD2,VD4 (рис.8.4). Следовательно, в первый и во второй полупериоды переменного тока через нагрузочные сопротивления схем проходят пульсирующие токи в одном положительном направлении.

При двухполупериодном выпрямлении цикл выпрямления m=2. Электромагнитные вольтметры, подключенные к вторичным обмоткам трансформаторов, покажут действующие значения напряжений .

Для измерений выпрямленных значений напряжений и токов применяют приборы магнитоэлектрческой системы, которые показывают средние значения пульсирующих напряжений и токов:

Читайте также:  В замкнутом контуре электрический ток появляется когда

Рис.8.5. Временные зависимости мгновенных напряжений и тока двухполупериодных выпрямителей

Недостатком схемы выпрямителя с нулевым выводом трансформатора является величина обратного напряжения, действующего на диод: тогда как для схемы мостового выпрямителя величина обратного напряжения, действующего на каждый диод, равна амплитудному значению напряжения вторичной обмотки:

Для определения коффициента пульсации при двухполупериодном выпрямлении пользуются формулой: тогда переменная составляющая определяется как

Частота пульсаций =100 герц.

8.3. Трёхфазные выпрямители. Электрические сглаживающие фильтры

На практике широко применяются выпрямители трёхфазного переменного тока. Рассмотрим однотактную схему выпрямления, приведённую на рис.8.6, в которой вторичные обмотки трансформатора соединены звездой. На схеме показано включение вольтметров для измерения фазного и линейного напряжений вторичных обмоток трансформатора.

Трёхфазный выпрямитель собран как сочетание трёх однофазных схем выпрямления. В каждый момент времени ток через нагрузку создаётся только одной фазой вторичной обмотки трансформатора, имеющей наибольший

положительный потенциал относительно нулевой точки. За период каждая фаза вторичной обмотки трансформатора создаёт один импульс тока через нагрузку. График напряжения на нагрузке представлен на рис.8.7. Аналогичный вид имеет и график тока через нагрузку.

Рис.8.6. Схема трёхфазного выпрямителя с нулевым выводом трёхфазного трансформатора

Рис.8.7. Временные зависимости мгновенных напряжений фаз на нагрузке трёхфазного выпрямителя с нулевым выводом трёхфазного трансформатора

Для определения среднего значения напряжения (постоянной составляющей) выделем на графике участок, по времени равный (1/6)Т и вычислим для него среднее значение напряжения:

Амплитудное значение выпрямленного напряжения .

Обратное напряжение, действующее на каждый диод, равно амплитуде линейного напряжения вторичных обмоток трансформатора:

Коэффициент пульсаций определяется по формуле =0,25, где цикл пульсаций m=3.Тогда переменная составляющая , а частота пульсаций =150 герц.

Выпрямленное напряжение, кроме постоянной составляющей содержит переменную составляющую (пульсацию). Пульсация увеличивает потери мощности. Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения применяются сглаживающие фильтры, в качестве которых может быть использован конденсатор, подключенный параллельно к зажимам нагрузки выпрямителя; либо дроссель, подключенный последовательно нагрузочному сопротивлению выпрямителя. На рис.8.8 изображены схемы сглаживающих фильтров:

а) С-фильтр, б) RC-фильтр, в) L-фильтр, г) LC-фильтр.

Рис.8.8. Схемы сглаживающих фильтров

Коэффициенты сглаживания пульсаций фильтров определяются отношением переменных составляющих на входе и выходе каждого фильтра: .

Коэффициент сглаживания пульсаций C-фильтра определяется по формуле: , где m – число циклов выпрямления; , где — частота сети;

— ёмкость конденсатора, — сопротивление нагрузки.

Коэффициент сглаживания пульсаций RC-фильтра определяется по формуле:

, где , — сопротивление фильтра.

Коэффициент сглаживания пульсаций L-фильтра определяется по формуле:

, где — индуктивность дросселя.

Коэффициент сглаживания пульсаций LС-фильтра определяется по формуле: , где — коэффициент сглаживания пульсаций L-фильтра; — коэффициент сглаживания пульсаций C-фильтра.

На рис.8.9 изображены графики, поясняющие принцип работы С – фильтра.

Рис.8.9. Временные диаграммы напряжений на нагрузке после двухполупериодного выпрямления и сглаживания С-фильтром

Для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения использован конденсатор, подключенный параллельно к зажимам нагрузки выпрямителя. Пульсирующие напряжение (ток) выпрямителя имеют постоянную и переменную составляющие. В конденсаторе сопротивление переменной составляющей меньше сопротивления нагрузки. Переменная составляющая пульсирующего напряжения замыкается через конденсатор, а постоянная составляющая заряжает конденсатор до определённого напряжения. При уменьшении напряжения импульса, напряжение конденсатора препятствует снижению напряжения на нагрузке, что сглаживает пульсации напряжения на нагрузке. Конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки.

Источник

Двухполупериодный выпрямитель — однофазные, трехфазные, мостовые

Двухполупериодный выпрямитель более распространен, чем однополупериодный, это связано с многочисленными преимуществами такой схемы. Чтобы объяснить, в чем именно заключается преимущество, следует обратиться к теоретическим основам электротехники.

В первую очередь рассмотрим отличие двухполупериодного выпрямителя от однополупериодного, для этого нужно понять принцип работы каждого из них. Примеры схем с осциллограммами дадут наглядное представление о преимуществах и недостатках этих устройств.

Однополупериодный преобразователь

Ниже приведена типичная схема подобного устройства с минимумом элементов.

Простейший преобразователь

Схема: простейший преобразователь

Обозначения:

  • Tr – трансформатор;
  • DV- вентиль (диод);
  • Cf – емкость (играет роль сглаживающего фильтра);
  • Rn – подключенная нагрузка.

Теперь рассмотрим осциллограмму в контрольных точках U1, U2 и Un.

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Осциллограмма, снятая в контрольных точках U1, U2 и Un

Пояснение:

  • в контрольной точке U1 отображается диаграмма снятая на входе устройства;
  • U2 – диаграмма перед емкостным сглаживающим фильтром;
  • Un – осциллограмма на нагрузке.

Временная диаграмма наглядно показывает, что после вентиля (диода) выпрямленное напряжение представляется в виде характерных импульсов, состоящих из положительных полупериодов. Когда происходит такой импульс, накапливается заряд емкостного фильтра, который разряжается во время отрицательного полупериода, это позволяет несколько сгладить пульсации.

Недостатки такой схемы очевидны — это низкий КПД, в следствии высокого уровня пульсаций. Но несмотря на это, устройства такого типа находят свое применение в цепях с низким токопотреблением.

Читайте также:  Между полюсами магнитов рисунок 114 расположены 4 проводника с током определите в

Принцип действия двухполупериодной схемы

Рассмотрим два варианта реализации двухполупериодного преобразователя (выпрямителя): балансный и мостовой. Схема первого показана на рисунке ниже.

Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом

Простейший неуправляемый балансный преобразователь на двух диодах с использованием трансформатора со средним выводом

Используемые элементы:

  • Tr – трансформатор, у которого имеются две одинаковые вторичные обмотки (или одна с отводом по середине);
  • DV1 и DV2 – вентили (диоды);
  • Cf – емкостной фильтр;
  • Rn – сопротивление нагрузки.

Приведем сразу для наглядности осциллограмму в контрольных точках.

Диаграмма прибора балансного типа

Диаграмма прибора балансного типа

  • U1 – осциллограмма на входе;
  • U2 – график перед емкостным фильтром;
  • Un – диаграмма на выходе устройства.

Данная схема — это два совмещенных однополупериодных преобразователя, то есть на два раздельных источника приходится одна общая нагрузка. Результат работы такого устройства наглядно демонстрирует график U2. Из него видно, что в процессе используются оба полупериода, что и дало название этим преобразователям.

Осциллограмма наглядно демонстрирует преимущества такого устройства, а именно, следующие факты:

  • частота пульсаций на выходе устройства удваивается;
  • уменьшение «провалов» между импульсами допускает использование меньшей фильтрующей емкости;
  • двухтактный преобразователь обладает большим КПД, чем однополупериодный.

Теперь рассмотрим мостовой тип, он изображен на рисунке ниже.

Пример использования диодного моста

Схема: Пример использования диодного моста

Осциллограмма устройства мостового типа практически не отличается от балансного, поэтому приводить ее нет смысла. Основное преимущество такой схемы – нет необходимости использовать более сложный трансформатор.

Видео: Двухполупериодный выпрямительный мост

Преобразователи, где используется полупроводниковый диодный мост, широко применяются как в электротехнике (например, в аппаратах для сварки, где номинальный ток может доходить до 500 ампер), так и радиоэлектронике, в качестве источника для слаботочных цепей.

Заметим, что помимо полупроводниковых можно использовать и вакуумные диоды – кенотроны (ниже показан пример схемы такого устройства).

Преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

Схема: преобразователь на двуханодном кенотроне 6Ц4П

Собственно, представленная схема – это классическая реализация балансного преобразователя двухполупериодного типа. На сегодняшний день вакуумные диоды практически не применяются, их заменили полупроводниковые аналоги.

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.

Пример преобразователя с двухполярным выходом

Схема: пример преобразователя с двухполярным выходом

Как реализовать удвоение напряжения

Ниже представлена схема, позволяющая получить на выходе устройства напряжение, вдвое выше исходного.

Схема с удвоением напряжения

Схема с удвоением напряжения

Для такого устройства характерно, что два конденсатора заряжаются в разные полупериоды, а поскольку они расположены последовательно, то, по итогу, на «Rn» суммарное напряжение будет вдвое выше, чем на входе.

В преобразователе с таким умножителем можно применять трансформаторы с меньшим напряжением вторичной обмотки.

Использование операционных усилителей

Как известно, у диодов вольтамперная характеристика нелинейная, создавая однофазный прецизионный (высокоточный) выпрямитель двухполупериодного типа на микросхеме ОУ, можно существенно снизить погрешность. Помимо этого, имеется возможность создать преобразователь, позволяющий стабилизировать ток на нагрузке. Пример схемы такого устройства показан ниже.

Простой стабилизатор на операционном усилителе

Схема: простой стабилизатор на операционном усилителе

На рисунке изображен простейший стабилизатор тока. Используемый в нем ОУ — это управляемый по напряжению источник. Такая реализация позволяет добиться, чтобы ток на выходе преобразователя не зависел от потери напряжения на нагрузке Rн и диодном мосту D1-D4.

Если требуется стабилизация напряжения, схему преобразователя можно незначительно усложнить, добавив в нее стабилитрон. Он подключается параллельно сглаживающей емкости.

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)

Простой тиристорный преобразователь (на управляемых вентилях)

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.

Пример реализации схемы ЛарионоваПример реализации схемы Ларионова Осциллограмма на выходе схемы ЛарионоваОсциллограмма на выходе схемы 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.

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.

Источник

Adblock
detector