Однофазные выпрямители однополупериодная и мостовая топология

Введение

Однофазные выпрямители широко используются в различных областях электроники, электротехники, энергетики и других. Однофазные выпрямители имеют разные схемы, которые отличаются по количеству и расположению диодов, типу трансформатора, качеству выпрямленного напряжения и другим параметрам. В этой статье мы рассмотрим две основные схемы однофазных выпрямителей: однополупериодную и мостовую. Мы изучим их принцип работы, преимущества и недостатки, а также примеры применения.

Общая информация

Выпрямитель — это устройство, предназначенное для преобразования переменного тока из сети электропитания в постоянный ток, необходимый для работы многих электроприборов.

Существуют два основных типа выпрямителей: регулируемые и нерегулируемые. Регулируемые выпрямители позволяют изменять выпрямленное напряжение, что может быть полезно для питания нагрузок, требующих различного потенциала. Нерегулируемые выпрямители имеют фиксированное выходное напряжение.

На рисунке ниже представлена структурная схема выпрямительного устройства, питающегося от однофазной сети. Трансформатор понижает напряжение сети до требуемого уровня, диодный мост выпрямляет переменный ток, а фильтр сглаживает пульсации.

Данная схема является простой и надежной, но имеет недостатки: низкий КПД и большие габариты. Более современные выпрямительные устройства используют импульсные преобразователи, которые обладают большим КПД и меньшими габаритами.

Она основана на блоке выпрямления, состоящем из одного или нескольких диодов. Задача трансформатора — увеличить или уменьшить вторичное напряжение U₂ при заданном первичном напряжении U₁ для получения нужной величины постоянного напряжения U_н на выходе (нагрузке).
Сглаживающий фильтр служит для улучшения качества выпрямленного напряжения, а стабилизатор — для поддержания практически постоянного напряжения на нагрузке при влиянии разных факторов (изменение нагрузки, колебание напряжения сети и т.д.).
Схемотехника, режимы работы и параметры каждого блока выпрямительного устройства определяются требованиями, которые выдвигает нагрузка как потребитель постоянного напряжения. К ним в первую очередь относят: — среднее значение выпрямленного напряжения на нагрузке U_{н cp}; — среднее значение тока нагрузки I_{н cp};

• качество постоянного напряжения на нагрузке, которое оценивается коэффициентом пульсаций K_п;
• диапазон регулирования U_{н cp} (для управляемых выпрямителей).
  Эти показатели при заданном сетевом напряжении U₁ являются исходными при расчете всех блоков выпрямительного устройства.

В некоторых случаях в схеме могут отсутствовать некоторые блоки, что определяется качеством постоянного напряжения, требуемого для эффективной работы потребителя.

Элементная база выпрямителей

Для того, чтобы понять принцип работы выпрямительных устройств, нужно разобраться в особенностях их основных элементов — диодов и тиристоров.

Диод — это прибор с двумя электродами, в котором есть электронно-дырочный переход, способный пропускать ток только в одном направлении. На рисунке ниже показано, как обозначаются диоды на схемах, а также как выглядит их вольт-амперная характеристика (ВАХ), отражающая зависимость тока от напряжения на диоде.

Когда диод находится в открытом состоянии, то есть ток течет от анода А к катоду К, его вольт-амперная характеристика (ВАХ) лежит в первом квадранте. Это означает, что диод имеет низкое сопротивление при прямом включении. Когда диод находится в закрытом состоянии, то есть ток не течет, его ВАХ лежит в третьем квадранте. Это означает, что диод имеет очень высокое сопротивление при обратном включении.

Для анализа и расчета электронных схем часто применяют идеальную модель диода, согласно которой при прямом включении его сопротивление равно нулю, а при обратном – бесконечно велико. Выпрямительные диоды характеризуются следующими основными электрическими параметрами:

• I_н — номинальный (средний прямой) ток диода;
• ΔU_{пp cp} — среднее прямое падение напряжения на диоде;
• U_{обр макс} — максимальное допустимое постоянное обратное напряжение на диоде.

Тиристор – это полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой p – n – p – n, который может переключаться между двумя устойчивыми состояниями – закрытым и открытым (выключенным и включенным). Переход тиристора из закрытого состояния в открытое, т. е. включение тиристора, происходит по цепи управления с помощью слабого сигнала. Выключение тиристора по цепи управления невозможно. На рисунке ниже показаны графическое и буквенное обозначение тиристора с условно положительными направлениями тока и напряжения, а также его статическая ВАХ.

Тиристор VS имеет три вывода, подключаемые к внешним цепям: анод А, катод К и управляющий электрод УЭ. Цепь А – К является силовой цепью тиристора, по которой течет коммутируемый ток. Цепь УЭ – К является цепью управления тиристором. Тиристор может быть включен, если по цепи управления протекает положительный ток (I_у > 0) и между анодом и катодом приложено положительное напряжение, т.е. U_a > 0 . ВАХ тиристора в третьем квадранте при U_a < 0 соответствует его выключенному состоянию. Тиристор может быть поврежден, если его обратное напряжение превышает значение Uобр макс. ВАХ в первом квадранте состоит из двух участков:

1. линия ОА, когда тиристор выключен при I_у = 0;
2. линия СД, когда тиристор включен. Переход с участка ОА на СД (включение тиристора) происходит, если: а) U_a превосходит напряжение переключения U_пep , что в тиристорах редко применяется; б) по цепи управления пропускается положительный ток управления I_у > 0, который определяет анодное напряжение, при котором тиристор включится.

При определенном значении I_у ВАХ тиристора в первом квадранте принимает вид ВАХ диода, т.е. ВАХ тиристора выравнивается. Этот ток управления называется током управления выравнивания I_у в. На практике применяют динамический метод включения, когда в цепи управления создают импульс с резким фронтом определенной продолжительности и амплитуды, превосходящей I_у в. В этом случае тиристор во время действия импульса управления работает как обычный диод, а после его завершения тиристор остается включенным. Включенное состояние тиристора сохраняется, если анодный ток после окончания импульса управления будет больше определенного значения, называемого током поддержания I_п. В противном случае тиристор выключается. Из этого следует, что для выключения тиристоров нужно как-то снизить анодный ток до I_п. Еще один способ выключения возможен, если к тиристору подать обратное анодное напряжение U_a < 0. Динамические характеристики тиристоров, определяющие возможности их применения в периодически работающих устройствах, описываются временем включения t_вкл и выключения t_выкл. Эти величины характеризуют скорость работы тиристора.

Однофазная однополупериодная схема

Однофазная однополупериодная схема выпрямления — это схема, в которой ток через нагрузку протекает только в течение одного полупериода питающего напряжения. Это означает, что диод открывается и закрывается один раз за период. Такая схема имеет простую конструкцию, но высокий коэффициент пульсации и низкую эффективность. 

Принцип работы

Простейшей схемой выпрямления является однофазная однополупериодная схема с активной нагрузкой. В ее состав входят силовой трансформатор Тр, один диод VD и нагрузка R_н. Эта схема преобразует переменное напряжение в постоянное, используя только один полупериод переменного тока.

Первичная обмотка трансформатора подключена к сети переменного тока с напряжением u₁. К вторичной обмотке с напряжением u₂ последовательно присоединены диод и нагрузка. На рисунке показаны временные диаграммы напряжения u₂ на вторичной обмотке трансформатора, напряжения u_н на нагрузке и напряжения u_d на диоде.

Ток i_н в нагрузке течет только в положительной полуволне напряжения u2 на вторичной обмотке трансформатора, когда анод диода имеет большее напряжение, чем катод. Тогда напряжение на диоде Uпр < 2,5 В. В отрицательной полуволне u2 диод не пропускает ток, и на нем возникает максимальное обратное напряжение U_обр.max ≈ U_2m.

Нагрузка R_н получает ток только в одном полупериоде переменного напряжения, поэтому такой выпрямитель называется однополупериодным.

Расчёт средних значений за период

U_{\text{н.ср}} = \frac{1}{2\pi} \int_0^\pi U_{2m} \sin \omega t d\omega t = -\frac{U_{2m}}{2\pi} cos \omega t\vert_0^\pi  =  \frac{U_{2m}}{\pi}

Где:

• U_н.ср — среднее значение напряжения за полупериод
• U_2m — максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора
• ω- угловая частота переменного тока
• t — время

следовательно получаем среднее значение пульсирующего тока:

U_{\text{н.ср}} \approx \frac{U_{2m}}{\pi} \approx 0,318 U_{2m} ; I_{\text{н.ср}} = \frac{I_{2m}}{\pi} \approx 0,318 I_{2m}

Чтобы найти амплитуду U_m.ог основной гармоники выпрямленного напряжения u_н, мы воспользуемся его рядом Фурье:

u_н=\frac{U_{2m}}{\pi}+\frac{1}{2}U_{2m}sin\omega t -\frac{2U_{2m}}{3\pi}cos2\omega t \frac{2U_{2m}}{15\pi}cos4\omega t -...

откуда

U_{m.ог}=\frac{U_{2m}}{2}

Тогда коэффициент пульсации:

q_n = \frac{U_{m.ог}}{U_{н.cp}} = \frac{\pi}{2} \approx 1.57

Преимущества и недостатки однополупериодной схемы

Такая схема имеет следующие преимущества:

• Простота подключения и надежность
• Низкая стоимость оборудования
• Использование однофазного трансформатора

Однако у нее есть и недостатки:

• Не позволяет передавать большие мощности
• Может вызывать некоторые периодические колебания напряжения и тока
• Высокий коэффициент пульсации
• Низкий коэффициент использования мощности трансформатора
• Большая величина обратного напряжения на диоде

Для улучшения качества выпрямленного напряжения используются фильтры или другие схемы выпрямления, например, двухполупериодная или мостовая. 

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя

Мостовая схема двухполупериодного выпрямителя — это схема, которая позволяет преобразовать переменное напряжение в постоянное, используя четыре диода, соединенных в виде моста. В этой схеме ток через нагрузку течет в обоих полупериодах питающего напряжения, поэтому она называется двухполупериодной. Мостовая схема имеет высокий коэффициент полезного действия и малую пульсацию выходного напряжения.

Принцип работы

Мостовой двухполупериодный выпрямитель состоит из трансформатора Тр и четырех диодов, соединенных в виде моста.

Одна диагональ моста подключена к выводам вторичной обмотки трансформатора, а другая диагональ — к нагрузке R_н. Положительный полюс нагрузки — это точка, где соединяются катоды диодов, а отрицательный полюс — точка, где соединяются аноды. На рисунке

показаны временные диаграммы напряжения u_н и тока i_н. В положительный полупериод напряжения u₂, когда точка 1 имеет большее напряжение, чем точка 2, ток i₂’ течет через диод VD1, нагрузку R_н и диод VD3. Диоды VD2 и VD4 в этот момент не пропускают ток, потому что на них приложено обратное напряжение.

Во второй полупериод, когда точка 1 на вторичной обмотке имеет меньшее напряжение, чем точка 2, ток i₂» течет через диод VD2, нагрузку R_н и диод VD4 по направлению, показанному стрелками с одним штрихом. Диоды VD1 и VD3 в этот момент не пропускают ток, потому что на них приложено обратное напряжение. Таким образом, токи i₂’ и i₂«, текущие через нагрузку R_н, имеют одно направление. Напряжение и ток на нагрузке повторяют (при нулевом прямом напряжении на диодах U_пр ≈ 0) по амплитуде и форме полуволны напряжения и тока на вторичной обмотке трансформатора. Они меняются от нуля до максимума U_2m.

Расчёт средних значений за период

Среднее выпрямленное напряжение (постоянная составляющая) за период равно интегралу от напряжений двух полуволн, поделенному на период T изменения напряжения u₂:

U_{\text{н.ср}} = 2\frac{1}{2\pi} \int_0^\pi U_{2m} \sin\omega t d(\omega t) = \frac{2}{\pi} U_{2m} \approx 0.636 U_{2m}

Для тока:

I_{\text{н.ср}} = \frac{2}{\pi} I_{2m} \approx 0.636 I_{2m}, \text{ где } I_{2m} = \frac{U_{2m}}{R_н}

Где:

• I_н.ср — среднее значение тока за полупериод
• I_2m — максимальное значение тока на вторичной обмотке трансформатора
• U_2m — максимальное значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора
• R_н — сопротивление нагрузки

Чтобы найти амплитуду основной гармоники выпрямленного напряжения uн, мы воспользуемся его рядом Фурье:

u_н = \frac{2U_{m}}{\pi} - \frac{4U_{2m}}{3\pi} \cos 2\omega t - \frac{4U_{2m}}{15\pi} \cos 4\omega t - \frac{4U_{2m}}{35\pi} \cos 6\omega t - ...

откуда

U_{m.ог}=\frac{4}{3\pi}U_{2m}

Тогда коэффициент пульсации:

q_n = \frac{U_m*_{ог}}{U_{\pi.cp}} = \frac{(4/3\pi)U_{2m}}{(2/\pi)U_{2m}} = \frac{2}{3} \approx 0,667

Обратное напряжение на вентиле:

U_{обр.max}=\frac {U_{2m}}{2}

Максимальный ток I_2m = U_2m/_Rн и действующее значение тока вторичной обмотки

I_2 = \frac{\pi U_{н.cp}}{2\sqrt{2R_н}} = \frac{1.11 U_{н.cp}}{R_н}

Из анализа двухполупериодной и однополупериодной схем выпрямления можно сделать следующие выводы: в двухполупериодной схеме трансформатор используется более эффективно, среднее и максимальное напряжения на вентиле снижаются вдвое при том же токе нагрузки; коэффициент пульсации меньше (q_n ≈ 0,67), но все еще достаточно велик.

Преимущества и недостатки мостовой схемы

Такая схема имеет следующие преимущества:

• Позволяет передавать большие мощности
• Не вызывает периодических колебаний напряжения и тока
• Низкий коэффициент пульсации
• Высокий коэффициент использования мощности трансформатора
• Меньшая величина обратного напряжения на диоде

Однако у нее есть и недостатки:

• Сложность подключения и надежность
• Высокая стоимость оборудования
• Использование четырех вентилей вместо двух

Сравнение однополупериодного и мостового выпрямителей

Однополупериодный выпрямитель:

• Простой и дешевый, как бутерброд с колбасой.
• Использует всего один диод, словно верный рыцарь свой меч.
• Подходит для простых устройств, где не нужна высокая эффективность.
• Не годится для индуктивных нагрузок, капризных, как оперные дивы.

Мостовой выпрямитель:

• Мощный и эффективный, как атлет на пике формы.
• Использует 4 диода, работающих слаженной командой.
• Обеспечивает вдвое большее напряжение, чем его оппонент.
• Подходит для широкого спектра применений, от простых до сложных.
• Дороже и сложнее, но результат того стоит.

Кто же победит?

Ответ зависит от ваших целей:

• Нужен простой и дешевый вариант? Выбирайте однополупериодный выпрямитель.
• Требуется высокая эффективность и универсальность? Мостовой выпрямитель – ваш выбор.

В любом случае, помните:

• Однополупериодный выпрямитель: простой, но не самый эффективный.
• Мостовой выпрямитель: мощный, универсальный, но более дорогой.

Заключение

В этой статье мы изучили две топологии однофазных выпрямителей: однополупериодную и мостовую. Мы познакомились с их устройством, достоинствами и недостатками, а также областями применения. Мы выяснили, что выбор топологии выпрямления зависит от требуемого качества, мощности и экономичности выпрямленного напряжения. Мы надеемся, что эта статья была полезна и интересна для вас.