Схема выпрямителя:общие основы, принципы работы и требования

Обычно электронные устройства имеют схему выпрямителя, которая позволяет преобразовывать переменный ток в постоянный в системах электропитания. Эта схема используется в маломощных устройствах, таких как зарядные устройства, для выпрямления низкого напряжения, возникающего при выпрямлении.

Чтобы понять схему выпрямителя, мы должны узнать о процессе выпрямления. Выпрямление отвечает за преобразование отрицательных битов переменного тока из сети в положительные напряжения постоянного тока. При настройке идеальной системы вам нужен правильный выпрямитель. Поэтому понимание выпрямителя и конфигурации диодов будет важно для вас при настройке вашей системы.

(Электронные компоненты)

1. Что такое схема выпрямителя?

Выпрямитель представляет собой электрическое устройство, которое преобразует переменный ток из сетевого напряжения в однонаправленный постоянный ток. Это работает проще всего путем изменения напряжения переменного тока основного питания от электросетей на напряжение постоянного тока. Самое главное, многие устройства, на которые мы полагаемся, требуют постоянного тока.

Термин «выпрямитель» связан с тем, что устройство выпрямляет направленный поток тока. Использование электронных фильтров для сглаживания выходного сигнала выпрямителя является растущей тенденцией. Следовательно, современные кремниевые полупроводниковые выпрямители привели к выходу выпрямителей на основе селена, механических выпрямителей, выпрямителей на основе оксида меди и ламповых выпрямителей.

Механические и ламповые выпрямители (используемые в электронно-лучевых трубках) были малоэффективны из-за высокого внутреннего сопротивления. Однако выпрямители на основе оксида меди и селена имеют лучшую устойчивость к кратковременному напряжению, чем SCR (кремниевый управляемый выпрямитель). Это огромное преимущество перед кремниевыми диодами.

(Преобразователь переменного тока в постоянный с диодным мостом и конденсатором)

2. Типы выпрямителей

Однофазные и трехфазные выпрямители.

Как в однофазных, так и в трехфазных выпрямителях они подвергаются однополупериодному и двухполупериодному выпрямлению.

Однофазные выпрямители имеют вход однофазной сети переменного тока. Структуры очень простые. Им нужен один, два или четыре диода (в зависимости от типа системы).

Для однофазного переменного тока возникает высокий коэффициент пульсаций. Это связано с тем, что его диоды подключены ко вторичной обмотке однофазного трансформатора. Кроме того, для выпрямления используется только одна фаза вторичной обмотки трансформатора.

С другой стороны, в трехфазных выпрямителях требуется три или шесть диодов. Уменьшение напряжения пульсаций происходит за счет подключения всех диодов к каждой фазе вторичной обмотки трансформатора. Кроме того, это создает высокий коэффициент использования трансформатора.

Преимущества однофазного выпрямителя

• Подходит для простых структур

Преимущества трехфазного выпрямителя

• Во-первых, это предпочтительнее при использовании больших систем.
• Во-вторых, он обеспечивает большую мощность.
• Кроме того, не требуются дополнительные фильтрующие компоненты для снижения радиочастотного излучения.
• Эффективен и содержит больше TUF.

Недостатки однофазных выпрямителей

• Начнем с того, что он обеспечивает небольшое количество энергии.
• Кроме того, коэффициент использования трансформатора меньше (TUF).

(Диоды)

Полупериодные и двухполупериодные выпрямители

В полуволновом выпрямлении , выпрямитель полностью блокирует половину пульсирующего входного сигнала. Затем поставляет только одну половину в каждом полном цикле. Это означает, что половина источника питания переменного тока тратится впустую.

Для однополупериодного выпрямления требуется один диод для однофазного питания или три диода для трехфазного питания. Средний уровень выпрямленного напряжения составляет половину уровня входного напряжения. Однако положительное напряжение имеет тот же пиковый уровень входного напряжения переменного тока, что и входное напряжение.

Есть два способа создания однополупериодного выпрямителя. Например, в первой модели источник переменного тока подключается напрямую к отрицательной клемме выхода. В следующей конструкции источник переменного тока подключен непосредственно к положительной клемме выхода.

Преимущества

• Во-первых, у него высокое напряжение на выходе.
• Кроме того, он дешевый, так как в нем используется только один диод для выпрямления мощности.

Наконец, он не требует питающего трансформатора

Двухполупериодный выпрямитель

Этот выпрямитель инвертирует потерянный или заблокированный отрицательный входной сигнал источника переменного тока. В результате улучшается среднее значение выходного сигнала. Он также удваивает частоту входного переменного напряжения, что не может выполнять полумостовой выпрямитель. И в созданном сигнале входные и выходные пики равны.

Два широко используемых метода проектирования двухполупериодных выпрямителей:схема трансформатора с отводом от средней точки и диодного моста. Он также работает как активный стабилизатор, пропуская большую часть тока в цепь нагрузки.

Преимущества

• Во-первых, высокая эффективность ректификации (81,2%).
• Во-вторых, у него более низкий RF (0,48).
• Кроме того, имеет относительно высокий TUF

Недостатки

• Во-первых, для работы требуется трансформатор.
• К сожалению, он испытывает довольно большое внутреннее сопротивление от сети переменного тока.
• Наконец, здесь используются двойные диоды, которые могут быть дорогими.

Форм-фактор:

Форм-фактор – это отношение среднеквадратичного значения тока к выходному постоянному току.

FormFactor=среднеквадратичное значение тока на выходе постоянного тока Форм-фактор тока=среднеквадратичное значение тока на выходе постоянного тока.

Форм-фактор двухполупериодного выпрямителя равен 1,11.

(Изображение схемы однополупериодного выпрямителя)

Мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель представляет собой преобразователь переменного тока в постоянный, который преобразует основной вход переменного тока в постоянный на выходе. Мостовая схема представляет собой выпрямитель, используемый в источниках питания, которые подают постоянное напряжение для электрических устройств и электронных компонентов. В простом мостовом выпрямителе обычно используется нагрузочный резистор. В результате это гарантирует, что ток, протекающий через него, будет одинаковым как в отрицательных, так и в положительных полупериодах. Мостовой выпрямитель — одна из наиболее распространенных частей электронных блоков питания.

Схема мостового выпрямителя состоит из четырех соседних диодов, также известных как диодные мосты. Пиковое обратное напряжение — это максимальное зарегистрированное напряжение от диода при подключении с обратным смещением в отрицательный полупериод. Во время положительного полупериода в проводящем пятне находятся два диода. Оставшаяся пара находится в непроводящем положении мостового выпрямления. Записи на выходе выпрямителя происходят через нагрузочный резистор.

Преимущества мостового выпрямителя

• Во-первых, он имеет более высокую эффективность ректификации (81,2%).
• Кроме того, снижено пульсирующее напряжение.
• При работе с мостовым выпрямителем трансформатор не требуется
• Кроме того, имеет высокое значение TUF при взвешивании с выпрямителем с центральным отводом.
• Наконец, он достигает высоких частот с помощью простой фильтрации.

Недостатки

• Во-первых, более высокая стоимость конструкции мостового выпрямителя, поскольку в нем используются четыре диода.
• Снижено выходное напряжение из-за падения напряжения в системе.
• Опять же, конфигурация системы довольно сложна.
• Наконец, он испытывает большое внутреннее сопротивление при работе с более низким напряжением.

Мостовой выпрямитель хорош. В первом цикле переменного тока диоды D2 и D4 смещены в прямом направлении, поэтому они проводят ток. Положительное напряжение находится на аноде D2, в то время как катодный вывод D4 имеет отрицательное напряжение. Через эти два диода проходит первая половина сигнала. Во второй половине цикла диоды D1 и D3 смещены в прямом направлении, поэтому они проводят ток. Общий эффект заключается в том, что две половины переменного тока могут пройти. После этого отрицательная половина инвертируется и становится положительной.

(мостовой выпрямитель)

Неуправляемые выпрямители и управляемые выпрямители

Неуправляемые выпрямители

Название неуправляемых выпрямителей относится к типу выпрямителя, который обеспечивает фиксированное выходное напряжение постоянного тока для определенного источника переменного тока. В неуправляемых выпрямителях используются только диоды, и они могут быть любыми; двухполупериодный управляемый или двухполупериодный выпрямитель. Однако они менее эффективны, поскольку диоды могут быть либо включены, либо выключены.

Управляемые выпрямители

Эта схема преобразует источник переменного тока в источник постоянного тока, используя тиристоры для управления подачей питания на нагрузку. Однополупериодный управляемый выпрямитель состоит из одного SCR (Silicon Controlled Rectifier). Они имеют ту же конструкцию, что и неуправляемые выпрямители, но вместо них используют SCR. Выпрямители с однополупериодным управлением ограничивают потери мощности, поскольку обеспечивают постоянный контроль мощности.

3. Как работают схемы выпрямителей в электронике

Принцип работы выпрямительных цепей

Схемы выпрямителя работают просто, превращая источник переменного тока в источник постоянного тока. Он состоит из диодов, заблокированных по всей системе, чтобы создать прямое движение электронов для питания устройств. Когда переменный ток проходит через цепь выпрямителя, диоды устраняют отрицательные колебания напряжения от источника переменного тока. Поэтому он оставляет только положительное напряжение. Простой диод позволяет току течь только в одном направлении, блокируя ток в обратном направлении.

На этом изображении показана форма волны переменного напряжения от выпрямительного диода. Форма волны тока имеет чередующиеся интервалы между короткими повышениями напряжения, а также периоды отсутствия напряжения. Это постоянный ток, поскольку он имеет только положительное напряжение.

(Схема диодного моста)

4. Меры предосторожности при проектировании схемы выпрямителя

Существуют меры предосторожности, которые необходимо учитывать при проектировании схемы выпрямителя в любом электрическом устройстве. Чтобы внести ясность, мы обсудим наиболее важные меры предосторожности, которые повлияют на выбор конструкции выпрямителя.

Положительный полупериод

Во время положительного полупериода напряжение, возникающее между анодом и катодом, положительно. Это означает, что диод смещен в прямом направлении. Предположим, что схема подключена к идеальному диоду, а номинальная мощность постоянна. Пиковое напряжение равно Vm и называется пиковым значением напряжения без падения напряжения.

Однако мы должны рассматривать падение напряжения на некоторых диодах как на кремниевом диоде с 0,7 В (падение напряжения). Он смещается в прямом направлении только тогда, когда приложенное входное напряжение превышает пороговое напряжение (0,7 В). Следовательно, цепь начинает проводить.

Пиковое напряжение =Vm – 0,7 В (падение напряжения)

Отрицательный полупериод

Иначе обстоит дело с отрицательным полупериодом, поскольку напряжение, возникающее на аноде и катоде, отрицательно. Диод в цепи выпрямителя смещается в обратном направлении и действует как разомкнутый переключатель. Это приводит к отсутствию тока. Это приводит к нулевому показанию напряжения на выходе.

Более того, в отрицательный полупериод, даже с учетом используемого диода, напряжение на диоде отрицательно. Это означает, что показания на выходе по-прежнему будут 0 В.

Падение напряжения:

Сетевое напряжение обычно имеет большую мощность. Частичная потеря мощности электрического потенциала тока при движении по цепи называется падением напряжения.

VD=( 2*L*R*I) / 1000

Расчет тепла, рассеиваемого выпрямителем:

Обычно это тепло, теряемое в процессе выпрямления при падении напряжения и появлении сопротивления внутри диодов. Поэтому важно знать падение напряжения на конкретных диодах, используемых в схеме.

Pheat (Потери мощности) =Pmax (Максимальная выходная мощность системы) / Eff (КПД выпрямительного модуля) – Pmax (Максимальная выходная мощность системы.

Пиковое обратное напряжение:

PIV относится к максимальному напряжению, которое диод может выдержать при обратном смещении. Следовательно, при превышении диоды могут выйти из строя. Пиковое обратное напряжение равно входному напряжению.

Пиковое обратное напряжение (PIV) =2Vs max =2V_smax .

5. Сглаживающий конденсатор

Сглаживающий конденсатор — это система, которая сглаживает колебания подачи сигнала. В основном они применяются после выпрямителя или источника питания. Во время полупериодов создаются плавные переходы при зарядке и разрядке конденсатора. Процесс зарядки происходит, когда ток протекает через положительные полупериоды.

Двухполупериодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Сглаживающий конденсатор помогает уменьшить неполные пульсации на выходе диодов. Таким образом, сглаживающий конденсатор подключается параллельно диодам для поддержания постоянного напряжения в цепи нагрузки.

Размещение нагрузки приходится на выход двухполупериодного мостового выпрямителя. Затем конденсатор увеличивает выход постоянного тока. В результате сглаживающий конденсатор преобразует пульсирующий выходной сигнал выпрямителя в более плавный выходной сигнал постоянного тока.

Напряжение пульсаций обратно пропорционально емкости сглаживающего конденсатора. Два значения связаны

V_рябь =Я_{загружаю} /(fxС)

В качестве альтернативы можно использовать интегральную схему регулятора напряжения для постоянного источника постоянного тока.

Сглаживающий конденсатор 5 мкФ

Заряд и емкость сглаживающего конденсатора 5 мкФ варьируются в зависимости от соединения в цепи. Эквивалентная емкость будет суммой всех конденсаторов, включенных в цепь для конденсатора при параллельном соединении.

Сглаживающий конденсатор 50 мкФ

Аналогично, тот же принцип применяется здесь для сглаживающего конденсатора на 50 мкФ. Напряжение при параллельном включении цепи одинаково для всех конденсаторов. Однако конденсатор емкостью 50 мкФ является более сильным сглаживающим конденсатором по сравнению с конденсатором емкостью 5 мкФ.

(Изображение конденсаторов)

6. Заключение

В данной статье установлен широкий спектр устройств, в которых используются схемы выпрямителей. Одним из применений являются регуляторы напряжения, а другим распространенным применением являются компоненты источников питания и детекторы амплитудной модуляции (AMD), используемые для радиосигналов. Это устройство также когда-то было широко известно как кристаллический детектор в первых радиоприемниках.

Мы надеемся, что эта статья ответит на все ваши вопросы о схемах выпрямителей. Не стесняйтесь обращаться к нам за основными компонентами для создания вашей схемы выпрямителя. Будем рады помочь в ваших проектах.