Принцип работы однофазного мостового выпрямителя

6.3. Однофазный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя представлена на рис.6.4. Силовой трансформатор не является обязательным элементом схемы и вводится при необходимости изменения величины переменного напряжения, подводимого к мосту. Каждое плечо моста содержит диод.

Рисунок 6.4. Схема однофазного мостового выпрямителя

На рис.6.5 приведены временные диаграммы напряжений и токов для случая активного сопротивления нагрузки R_Н на выходе моста. К мосту подводится напряжение u₂, амплитуда которого связана с амплитудой напряжения u₁ на входе выпрямительного устройства, показанного на рис.6.5,а, через коэффициент трансформации. Как и в случае выпрямителя с нулевым отводом, рассматриваются состояния схемы при положительном и отрицательном полупериодах напряжения u₁. Полярности напряжений на вторичной обмотке трансформатора для интервала фаз 0на рис.6.4 указаны без скобок, для интервала фазв скобках.

В интервале фаз 0положительное напряжение подводится к аноду диода Д₁ и к катоду диода Д ₄, отрицательное напряжение подводится к аноду диода Д ₃ и к катоду диода Д ₂. Следовательно, диоды Д ₁ и Д ₂ будут находиться в открытом состоянии, а диоды Д ₃ и Д ₄ – в закрытом. Ток вторичной цепи будет протекать через два открытых диода и нагрузку R _Н.

Рисунок 6.5. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу

однофазного мостового выпрямителя

В интервале фаз изменяется полярность подводимого к мосту напряжения, что приводит к открытию диодов Д₃ и Д ₄ и к закрытию диодов Д ₁ и Д ₂ . Ток будет протекать через открытые диоды Д ₃ и Д ₄ , и напряжение в нагрузке R _Н будет иметь ту же полярность, что и в интервале фаз . Цифры на рис. 6.5,б соответствуют номерам диодов, через которые протекает ток в определенные полупериоды подводимого напряжения. Таким образом, и при положительном и отрицательном полупериодах напряженияu₁ на выходе моста напряжение будет положительным, что отражено на рис. 6.5,б. При пренебрежении потерями в открытых диодах амплитуды импульсов напряжения на выходе выпрямителя равны амплитуде импульсов напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

На рис. 6.5,в приведена временная зависимость выпрямленного тока, которая согласно закону Ома определяется зависимостью , а на рис.6.5,г и 6.5,д – временные зависимости токов, протекающих через соответствующую пару диодов.

Сравнение временных диаграмм на рис. 6.5,б – 6.5,д, и на рис. 6.3,в –6.3,е показывает их полную идентичность. В обеих схемах выпрямление осуществляется в течение двух полупериодов подводимого напряжения. Обе эти схемы выпрямителей являются двухполупериодными. Вследствие идентичности временных зависимостей выпрямленного напряжения, а также выпрямленного тока и токов диодов, для мостового выпрямителя справедливыми будут соотношения (6.2) – (6.5) и (6.8), которые были получены для схемы с нулевым отводом. Только входящая в эти соотношения величина является действующим значением напряжения, снимаемая с вторичной обмотки трансформатора (не имеющей нулевой отвод).

Отличаются только соотношения, определяющие величину обратного напряжения на диоде. К диодам мостовой схемы, находящимся в закрытом состоянии, подводится напряжение с отводов вторичной обмотки трансформатора, то есть . Например, к катоду закрытого диода Д₁ подводится положительное напряжение через открытый в это время диод Д ₃. Следовательно, максимальное обратное напряжение, которое должен выдерживать диод в однофазном мостовом выпрямителе, равно

U_{в max} = U₂ = 0,5π U_d, (6.9)

то есть вдвое меньшее, чем в выпрямителе с нулевым отводом.

Рисунок 6.6. Схема мостового выпрямителя с нулевым отводом

В схеме мостового выпрямителя можно использовать трансформатор с нулевым отводом. Такой выпрямитель, схема которого приведена на рис. 6.6, обеспечивает получение на выходе двух одинаковых по величине, но разнополярных напряжений (относительно нулевого отвода), что необходимо, в частности, для питания операционных усилителей. Схему на рис. 6.6. можно рассматривать как сочетание двух схем выпрямителя с нулевым отводом: одна – на диодах Д₁и Д₃, вторая – на диодах Д₂и Д₄. Величины разнополярных напряженийu_d1иu_d2 равны 0,5 u_d– половине суммарного выходного напряжения.

Мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель — устройство или контур, проводящее ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Поскольку мостовой выпрямитель использует всё вторичное напряжение, на выходе напряжение в два раза больше чем у двухполупериодного выпрямителя.

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия мостового выпрямителя

Мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, соединённых в форме «моста», причём вторичная обмотка трансформатора соединяется через противоположные углы «моста», а сопротивление нагрузки соединяется через другие два угла. Выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя, поскольку через «мост» протекает воздействие всего напряжения вторичной обмотки.

В течение первой половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D1, через сопротивление нагрузки RL, через диод D3, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

Читайте также
Двухполупериодный выпрямитель контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока
Однополупериодный выпрямитель контур, проводящий во время одной половины цикла переменного тока

Повторитель напряжения имеет высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления равный единице

Однофазная мостовая схема выпрямления

Выпрямление рассматривается здесь как процесс превращения переменного тока в постоянный с помощью электрических элементов, которые пропускают ток преимущественно или исключительно в одном направлении. Такие элементы — полупроводниковые диоды — представляют малое сопротивление при прохождении тока в одном направлении очень большое — при протекании тока в противоположном направлении.

Идеальный выпрямитель имеет нулевое сопротивление в проводящем направлении и бесконечное сопротивление в обратном направлении и является автоматическим выключателем, который замыкает и размыкает цепь при изменениях полярности напряжения.

В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка.

В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде – по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

Рис.1. Однофазная мостовая схема выпрямления

Временные диаграммы для мостовой схемы, изображённы на рисунке 2.

У мостовой схемы в каждом полупериоде ток проходит одновременно через два диода (например, VD1, VD2), потому временные зависимости токов и напряжений будут принадлежать парам вентилей. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя

где U2 ? действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Действующее значение переменного напряжения (тока) — значение постоянного напряжения (тока), развивающего в данном активном сопротивлении такую же мощность, как и рассматриваемое значение переменного напряжения (тока).

Рис. 2. Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы выпрямления: u2 – кривая входного переменного напряжения; iV1, iV2 – кривая тока диодов VD1 и VD2; uV1, uV2 – напряжение на диодах VD1 и VD2; iV3, iV4 – кривая тока диодов VD3 и VD4; uV3, uV4 – напряжение на диодах VD3 и VD4; iн – кривая тока нагрузки; uн – кривая напряжения на нагрузке

Действующее значение напряжения на входе выпрямителя

Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки Id:

Максимальное значение тока, протекающего через диод

Действующее значение тока диода

Действующее значение переменного тока на входе выпрямителя

Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

Напряжение на нагрузке состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой. После разложения в ряд Фурье напряжение такой формы можно представить в виде

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2?

следовательно, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Коэффициент трансформации трансформатора

Мощность первичной и вторичной обмоток вентильного трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

В качестве недостатков однофазной мостовой схемы можно отметить: большее количество диодов и протекание тока в каждом полупериоде по двум диодам одновременно. Последнее свойство однофазных мостовых выпрямителей снижает их КПД из-за повышенного падения напряжения на полупроводниковых структурах вентилей. Это особенно заметно у низковольтных выпрямителей, работающих с большими токами.

Несмотря на отмеченные недостатки, мостовая схема выпрямления широко применяется на практике в однофазных выпрямителях различной мощности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Схемы и расчет мостового выпрямителя

С целью получения постоянного тока из переменного применяются мостовые выпрямители. Данные устройства рассчитаны на использование определённых входных параметров и создают ток и напряжение, соответствующие требованиям того прибора, который должен быть подключён.

Использование постоянного и переменного тока

В электротехнике может использоваться как постоянный, так и переменный ток. Его выбор зависит от оборудования, которому нужно строго определённое питание. Также при производстве электроэнергии в одних случаях получают переменное, в других постоянное напряжение, что определяется способом, с помощью которого это осуществляется. В дальнейшем оно преобразуется в нужный вид.

При транспортировке выгоднее передавать переменный ток. Когда он поступает в бытовые розетки, то имеет частоту 50 Гц. Напряжение при этом составляет 220 Вольт. В разных странах эти параметры могут отличаться друг от друга. Для промышленного оборудования чаще используется переменный ток.

Когда для определённого устройства требуется постоянный ток, применяется мостовой выпрямитель. Иногда он бывает необходим только для отдельных узлов оборудования. В этом случае схемы выпрямления являются частью соответствующего устройства.

Особенности переменного тока

Параметры переменного тока и напряжения изменяются в соответствии с синусоидальным законом. Сначала с максимального значения до нуля, затем меняют знак и начинают расти по абсолютной величине. После достижения максимального отрицательного значения они изменяются в обратном направлении. Этот процесс происходит циклически. Изменения тока обуславливают создание переменного магнитного поля, оказывающего влияние на электрические процессы устройства. В некоторых случаях синусоидальный ток необходимо выпрямить.

Принцип действия выпрямителя

Сначала переменный ток необходимо преобразовать так, чтобы получить нужные параметры тока и напряжения. Для этой цели используют трансформатор. Он представляет собой рамку из ферромагнетика, на которой имеется две обмотки. На первую поступает переменный ток от сети питания. Со второй снимаются ток и напряжение, соответствующие необходимым параметрам.

Выпрямление происходит в два этапа. На первом вместо синусоидального сигнала получают тот, который имеет только положительные полупериоды. На втором происходит выпрямление с помощью использования конденсаторов. При этом на их пластины поступает переменный сигнал, а затем разряд конденсатора осуществляет его сглаживание. Существуют различные виды выпрямителей, но их общий принцип работы в значительной степени соответствует приведённому описанию.

Классификация выпрямителей

Их можно разделять по различным признакам. Далее перечислены наиболее популярные виды классификаций:

• По количеству используемых в работе полупериодов. На начальном этапе преобразования получают график электрического сигнала, у которого нет отрицательных полупериодов. Это делают одним из двух способов. В однополупериодных выпрямителях их просто убирают, а в двухполупериодных вместо отрицательных получают такие же, но положительные. В последнем случае качество выпрямления будет выше.
• В выпрямителях обычно используется трансформатор, но в некоторых схемах он может не применяться. Это практикуется, когда нет необходимости проводить предварительное преобразование напряжения и тока.
• Схема выпрямителя может включать диодный мост или же работать без него.
• Существуют выпрямители, умножающие электронапряжение. При их использовании значение выходного выпрямленного напряжения может быть больше входного в несколько раз. Такой эффект обычно достигается за счёт одновременной разрядки нескольких конденсаторов.
• Рассматриваемые устройства различаются в зависимости от того, со сколькими фазами они способны работать. Наиболее распространенными являются однофазный мостовой выпрямитель и трёхфазный мостовой выпрямитель, но они также могут быть двух- и N-фазные.
• Существуют различные типы схем. Наибольшее распространение получили диодные, но также используются полупроводниковые, тиристорные, механические, вакуумные и другие.
• Имеет значение вид пропускаемой волны. Исходя из этого параметра, устройства могут быть аналоговыми, цифровыми и импульсными.

Для каждого вида выпрямителей важно учитывать качество выпрямления тока. Его вид выбирают так, чтобы получить сигнал с необходимыми параметрами.

Что собой представляет мостовой выпрямитель

Такие выпрямители характеризируются наличием диодного моста. Они преобразовывают входной синусоидальный сигнал в такой, который не имеет отрицательных полупериодов. Это можно сделать различными способами, от выбора которых зависит качество работы выпрямительного моста.

Схема мостового выпрямителя строится на использовании диодов. В этих радиодеталях применяются полупроводники p-типа и n-типа. Если через них проходит сигнал определённой полярности, то он пропускается без изменений. Если знак меняется, на выходе получается нулевой ток.

Существуют различные варианты мостовых схем. Самая простая — однофазная мостовая схема выпрямления. Ее использование обеспечивает на выходе положительные полупериоды, разделённые нулевыми участками. Мостовой однофазный выпрямитель выполняет выпрямление невысокого качества.

При использовании более сложных диодных мостов можно получить сигнал, в котором отрицательные импульсы заменены такими же, но положительными. Выпрямительный мост с четырьмя диодами обеспечивает на выходе сигнал удвоенной частоты.

Мостовой трехфазный выпрямитель, схема которого включает три диодных моста, расположенных параллельно, позволяет получать наиболее высокое качество выпрямления.

Виды мостовых выпрямителей

Диодные мосты различаются между собой качеством выпрямления и другими характеристиками.

Однополупериодный мостовой выпрямитель

Схема однофазного мостового выпрямителя считается наиболее простой. С ее помощью получают низкокачественное выпрямление с большим количеством гармоник.

В схеме не используется трансформатор. Диод применяется только один. Отсутствует сглаживание с помощью конденсаторов. Результатом работы выпрямителя является появление положительных импульсов и стирание отрицательных. Несмотря на относительно низкое качество работы, такие схемы все же находят своё применение.

Один из примеров — управляемый выпрямитель. Переключатель позволяет выбирать один из двух режимов: яркий или тусклый. В последнем случае ток пройдёт через однополупериодный мостовой выпрямитель. При этом интенсивность освещения будет снижена.

Особенности двухполупериодного выпрямителя

В двухполупериодной схеме присутствует трансформатор. Сигнал после него поступает в выпрямительный мост, где его отрицательные полупериоды заменяются положительными.

Принцип действия устройства основывается на использовании средней точки при подсоединении ко вторичной обмотке. В результате через один из диодов выпрямительного моста проходит положительный сигнал, а через второй — отрицательный. Недостаток данной схемы заключается в использовании трансформаторного устройства со средней точкой, которое может не всегда быть в наличии.

Использование четырёхдиодного моста

Выпрямитель такого вида обеспечивает высокое качество выходного сигнала. Мост, схема которого включает четыре диода, позволяет получать выходной положительный импульс на каждом полупериоде.

Чтобы понять работу четырехдиодного моста, необходимо изучить, как она функционирует на каждом полупериоде. Сначала рассмотрим, как работает схема при условии, что на верхнем проводе положительный потенциал, а на нижнем отрицательный.

Направление стрелок указывает движение от минуса к плюсу. Для управления током используется два диода: левый нижний и правый верхний. Два другие закрыты.

Теперь изменим знак потенциала на проводах: на нижнем будет положительный, а на верхнем отрицательный. В данном случае рабочими будут левый верхний и правый нижний диоды. Остальные два на протяжении рассматриваемого времени остаются закрытыми.

На рисунках выше представлена традиционная форма схемы выпрямителя. Существует эквивалентная схема, которая для некоторых может быть более удобной при определении работающих диодов.

Трёхфазный мостовой выпрямитель

В быту в основном используются однофазные устройства. Если требуется подключить мощное оборудование, а в производственных условиях часто возникает такая необходимость, то используют трёхфазное питание. В этом случае трехфазная мостовая схема будет выглядеть таким образом:

В этом устройстве каждая фаза подключена к своей паре диодов. Если проходит положительный импульс, то он открывает диод, расположенный справа и закрывает тот, который находится слева. При прохождении отрицательного импульса происходит следующее: открывается диод, находящийся слева и закрывается расположенный справа.

Таким образом, независимо от того, с каким знаком приходит импульс, он преобразуется на выходе в положительный. График, полученного на выходе сигнала, выглядит следующим образом:

Выбор диодного моста

При выборе диодного моста необходимо обращать внимание на следующие его характеристики:

• Корпус, в котором он смонтирован. Мост можно сделать из отдельных диодов, но более удобно воспользоваться уже готовым, который находится в специальном корпусе.
• Коэффициент пульсаций. Так называют отношение амплитуды поступающего сигнала к величине выпрямленного.
• Максимальный ток. Через каждую схему может проходить определенного значения. Он должен соответствовать условиям эксплуатации узла.
• Нужно учитывать, рассчитано ли устройство на однофазное или трёхфазное напряжение.
• Существуют требования к величине обратного напряжения. Если его превысить, то может произойти пробой диодов, которые входят в состав моста. Эта деталь не должна пропускать отрицательные импульсы, однако если напряжение будет слишком большим, то произойдёт разряд, который сделает диод неисправным.

Проведение расчётов

Эффективно работающий выпрямитель должен соответствовать определенным требованиям. В частности речь идёт о выходном токе, выпрямленном напряжении, максимальном значении обратного напряжения для используемых диодов.

Чтобы построить хорошо работающую схему, необходимо грамотно рассчитать ее параметры. Для примера рассмотрим диаграмму и расчет однополупериодного выпрямителя.

Как видно из графиков, входное электронапряжение изменяется по закону синусоиды. В этом случае расчет среднего значения выполняется по формуле:

Действующее значение входного напряжения определяется следующим образом:

Далее рассчитываем значение силы электротока на выходе выпрямителя и на вторичной обмотке трансформатора. Последняя формула позволяет определить коэффициент пульсации.

К недостаткам однополупериодного выпрямителя относят высокий коэффициент пульсации. Более качественный выходной сигнал даёт двухполупериодный мост с выводом от средней точки трансформатора.

Расчет двухполупериодного моста выполняется с помощью следующих формул:

Достоинствами двухполупериодной схемы являются вдвое большие выходные ток и напряжение, а также значительно меньший коэффициент пульсации.