Двухполупериодный выпрямитель

Обычное питание от распределительной сети предполагает переменное напряжение. Это напряжение можно легко настроить на желаемый уровень, пользуясь встроенными или внешними трансформаторами. Однако многие электронные компоненты, например, электролитические конденсаторы, светодиоды, диодные элементы и транзисторы не предназначены для работы на переменном токе. Для управления цепями с такими компонентами переменное напряжение необходимо преобразовывать в соответствующее постоянное. Для этого служат выпрямители.

Выпрямитель тока

Полуволновой выпрямитель

Для создания выпрямителей требуются элементы, пропускающие ток в одном направлении и блокирующие в другом. Раньше для этой цели использовались электронные лампы. Сейчас повсеместно применяются полупроводниковые диоды.

Простейший однофазный однополупериодный выпрямитель представляет собой обычный диод, подключенный последовательно с нагрузкой. Когда положительная полуволна синусоидального сигнала проходит через диод, он ее пропускает. Однако при перемене направления тока в другой полупериод диод запирается. В результате отрицательный полупериод токового сигнала блокируется, и остается пульсирующий ток, состоящий из положительных полуволн. Часть энергии будет потеряна. Кроме того, высокая пульсация сигнала часто становится неприемлемой для работы электронных схем.

Однофазный полуволновой выпрямитель

Можно использовать усовершенствованную схему однополупериодного выпрямителя, включив параллельно нагрузке конденсатор. Схема работает следующим образом:

1. Если на полюсе источника присутствует положительное напряжение, диод проводит ток. Конденсатор заряжается полностью, а ток проходит через сопротивление нагрузки;
2. Когда на полюсе источника появляется отрицательное напряжение, диод блокирует протекание тока. В этот момент конденсатор разряжается, поддерживая на короткий временной промежуток ток через сопротивление нагрузки.

Полуволновое выпрямление с конденсатором

Такой однофазный однополупериодный выпрямитель с конденсатором имеет меньший уровень пульсации, однако его эффективность все равно оставляет желать лучшего.

Полноволновой выпрямитель

Преимущества двухполупериодного выпрямителя:

1. Полуволновой выпрямитель обеспечивает только половину доступной энергии в волне переменного тока. Во время отрицательной части цикла напряжение может падать до нуля. Двухполупериодный выпрямитель сохраняет до 90% энергии;
2. Диод работает как односторонний переключатель, позволяя току протекать только в одном направлении. Однако высокое обратное напряжение может разрушить диод. Из-за этого диоды откалиброваны на обратное напряжение. Полноволновой выпрямитель снижает требования по обратному пробою наполовину. Диоды с более низкой калибровкой дешевле, снижается стоимость всей схемы. Это относится к мостовым схемам;
3. При применении двухполупериодного выпрямителя сигнал более плавный из-за лучшего сглаживания пульсаций.

Полноволновой выпрямитель с нулевым выводом

Двухполупериодная схема выпрямителя преобразует оба полуцикла переменного сигнала в импульсный сигнал однонаправленного тока.

Для выпрямления сигнала используется трансформатор, вторичная обмотка которого поделена пополам. От средней точки сделан вывод и заземлен, то есть потенциал ее равен нулю. Промежуточный отвод является одним из выходов мощности, а другой выход образуется соединением каждого конца обмотки через соответствующие диоды.

Полноволновой выпрямитель с нулевой точкой

1. Во время положительного полупериода входного переменного сигнала на одном конце обмотки появляется «плюс», а на другом – «минус». Диод, подключенный анодным выводом к «плюсу», пропускает токовый сигнал. А другой диод, на анодном выводе которого «минус», оказывается запертым. Ток, протекая по нагрузке, возвращается к центральной точке;
2. Когда появляется отрицательная полуволна, полярность концов обмоток меняется. Соответственно, первый диод запирается, а второй – пропускает сигнал.

В результате по нагрузке проходит ток и в положительные полуциклы, и в отрицательные, но результирующий сигнал будет протекать в одном направлении. Величина постоянного напряжения будет составлять 0,9 от входного среднеквадратичного показателя и 0,637 – от максимального. Частота выходного сигнала увеличивается в два раза.

Можно получать другие значения выходного напряжения, если изменять коэффициент трансформации.

Диодный мост

Схема двухполупериодного выпрямителя, называемая диодный мост, использует четыре диода, соединенных с образованием замкнутого контура, к одной стороне которого подсоединяется источник питания переменного тока, к другой – нагрузка.

Применяемая конфигурация позволяет работать поочередно на пропуск сигнала парам диодов, находящимся в противоположных плечах моста. В каждом случае создается положительная полуволна, а ток через нагрузку остается однонаправленным.

Диодный мост

Коэффициент пульсаций мостового выпрямителя составляет 0,48, аналогично другой схеме, с применением трансформатора.

Мостовая схема выпрямления проста и эффективна. Недостатком ее является падение напряжения на диодных элементах. Один из них обеспечивает падение напряжения в 0,7 В, второй – в 1,4 В. Этот дефект может существенно сказаться только на работе низковольтных схем.

Сглаживание пульсаций

Возможно улучшить сигнал двухполупериодного выпрямителя, применяя конденсаторы, которые повышают средний уровень выходного напряжения и делают его более плавным.

Во время первой полуволны конденсатор заряжается до максимума, а при снижении сигнала напряжение на нем не может быстро упасть. Разряд конденсатора происходит до определенного уровня, на котором поддерживается напряжение до зарядного импульса второй полуволны. При большей емкости конденсатора уровень поддерживаемого напряжения растет.

Трехфазный выпрямитель

Если вместо однофазного трансформатора использовать трехфазный, коэффициент пульсаций может быть уменьшен в значительной степени.

Мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя легко преобразуется в трехфазную. Схема выпрямления использует шесть диодов. Каждая фаза включается между парами диодов. Ток, протекающий через один диод, равен 1/3 нагрузочного тока. Выпрямленное напряжение превышает аналогичный показатель для трехфазного полуволнового выпрямителя, использующего три диодных элемента.

Трехфазная выпрямительная схема

Трехфазный тип расположения мостов является предпочтительным в различных применениях, хотя существуют схемы и с использованием разделенных вторичных обмоток трансформатора.

Использование двухполупериодного выпрямителя

Полноволновой выпрямитель широко используется в электронных схемах: радиоприемниках, телевизорах, компьютерах, видеооборудовании и других, где необходим источник питания с минимальным уровнем пульсаций.

Независимо от существования других форм выпрямителей, самый простой и часто применяемый – мостовой выпрямитель с четырьмя диодами и конденсатором. Два из них пропускают положительные половины циклов, другие два – отрицательные, а конденсатор отвечает за поддержание результирующего напряжения до момента изменения полярности ИП.

В схемах выпрямителей диоды могут быть полностью или частично заменены тиристорами, так что можно получить управляемую или полууправляемую систему выпрямления. Эти системы позволяют регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Замена диода на тиристор позволяет задержать открытие элемента, который пропускает ток, при подаче импульса на его управляющий электрод.

Выпрямительные схемы на мощных элементах применяют для установок электролиза, сварочных аппаратов, питания электротранспорта, прокатных станов, систем передачи электрической энергии на постоянном токе.

Видео