Выпрямительные цепи: основы, принцип работы и рекомендации по проектированию

Обычно электронные устройства имеют выпрямительную цепь, позволяющую преобразование переменного тока в постоянный в системах питания. Это использование цепи в маломощных устройствах, таких как зарядные устройства для батарей, для выпрямления низкого напряжения, производимого при выпрямлении.

Чтобы понять выпрямительную цепь, мы должны узнать о процессе выпрямления. Выпрямление отвечает за изменение отрицательных частей переменного тока от сети в положительные постоянные напряжения. При настройке вашей идеальной системы вам нужен правильный выпрямитель. Поэтому понимание выпрямителя и конфигурации диодов будет важно для вас для настройки вашей системы.

(Электронные компоненты)

1. Что такое выпрямительная цепь?

Выпрямитель — это электрическое устройство, преобразующее переменный ток от сетевого напряжения в односторонний постоянный ток. Он работает простейшим образом, меняя напряжение переменного тока сети от энергетических сетей на постоянное напряжение. Самое главное, многие приборы, на которых мы полагаемся, требуют постоянного тока.

Термин «выпрямитель» происходит от того, что устройство выпрямляет направление потока тока. Использование электронных фильтров для сглаживания выхода выпрямителя — растущий тренд. Следовательно, современные кремниевые полупроводниковые выпрямители вытеснили селеновые, механические, оксидно-медные и вакуумно-ламповые выпрямители.

Механические и вакуумно-ламповые выпрямители (используемые в катодно-лучевых трубках) были неэффективны из-за высокого внутреннего сопротивления. Однако оксидно-медные и селеновые выпрямители имеют лучшую моментную переносимость напряжения, чем SCR (Управляемый кремниевый выпрямитель). Это огромное преимущество над кремниевыми диодами.

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

2. Типы выпрямителей

Однофазные и трехфазные выпрямители.

И в однофазных, и в трехфазных выпрямителях они испытывают полуволновое и полноволновое выпрямление.

Однофазные выпрямители имеют вход однофазного сетевого питания переменного тока. Структуры очень просты. Им нужно один, два или четыре диода (в зависимости от типа системы).

Для однофазного переменного тока генерируется высокий коэффициент пульсаций. Это потому, что его диоды подключены к вторичной обмотке однофазного трансформатора. Также он использует только одну фазу вторичной катушки трансформатора для выпрямления.

С другой стороны, в трехфазных выпрямителях структуры требуют три или шесть диодов. Сниженное пульсация напряжения происходит, так как все диоды подключены к каждой фазе вторичной обмотки трансформатора. Это дальше создает высокий коэффициент использования трансформатора.

Преимущества однофазного выпрямителя

• Подходит для простых структур

Преимущества трехфазного выпрямителя

• Во-первых, он наиболее предпочтителен при использовании больших систем
• Во-вторых, он доставляет большие количества мощности
• Кроме того, не требует никаких дополнительных фильтрующих компонентов для снижения ВЧ
• Эффективен и имеет более высокий TUF

Недостатки однофазных выпрямителей

• Для начала, он доставляет небольшое количество мощности.
• Кроме того, имеет меньший коэффициент использования трансформатора (TUF)

(Диоды)

Полуволновые и полноволновые выпрямители

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

Полуволновое выпрямление требует один диод при однофазном питании или три в трехфазном питании. 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 проектирования полуволнового выпрямителя. Например, в первой модели питание переменного тока соединяется непосредственно с отрицательным терминалом выхода. Следующий дизайн имеет переменное токовое питание, присоединенное непосредственно к положительному терминалу выхода.

Преимущества

• Во-первых, у него высокое выходное напряжение
• Также он дешев, так как использует только один диод в выпрямлении мощности.

Наконец, он не требует питательный трансформатор

Полноволновый выпрямитель

Этот выпрямитель инвертирует потерянный или заблокированный отрицательный входной сигнал переменного тока. В результате он улучшает среднее значение выходного сигнала. Он также удваивает частоту волновой формы входного напряжения переменного тока, функцию, которую полумостовой выпрямитель не может выполнить. И в произведенной волновой форме входные пики и выходные пики равны.

Два обычно используемых метода в проектировании полноволновых выпрямителей: трансформатор с средней отпиской и диодный мост. Он также работает как активный регулятор, позволяя большей части тока течь к нагрузочной цепи.

Преимущества

• Во-первых, высокая эффективность выпрямления (81.2%)
• Во-вторых, низкий коэффициент пульсаций (0.48)
• Кроме того, относительно высокий TUF

Недостатки

• Во-первых, требует трансформатор для работы
• К сожалению, он проходит довольно большое внутреннее сопротивление от сетевого питания переменного тока
• Наконец, использует двойные диоды, которые могут быть дорогими

Коэффициент формы (Form Factor):

Коэффициент формы — это отношение RMS значения тока к выходному току постоянного тока.

FormFactor = RMS Value of Current / DC Output Current.

Коэффициент формы полноволнового выпрямителя равен 1.11.

(Картинка схемы полуволнового выпрямителя)

Диодный мост (Bridge Rectifier)

Диодный мост — это преобразователь переменного тока в постоянный, выпрямляющий основной вход переменного тока в выход постоянного тока. Мостовая схема — это выпрямитель, используемый в блоках питания, снабжающих постоянным напряжением электрические устройства и электронные компоненты. Простой диодный мост обычно использует нагрузочный резистор. В результате это гарантирует, что ток, текущий через него, равен на протяжении обоих отрицательных и положительных полуциклов. Диодный мост — одна из самых распространенных частей электронных блоков питания.

Расположение диодного моста имеет четыре смежных диода, также известные как диодные мосты. Пиковое обратное напряжение — это наибольшее записанное напряжение от диода, когда он подключен в обратном смещении в отрицательном полуцикле. Во время положительного полуцикла два диода находятся в проводящем положении. Оставшаяся пара в непроводящем положении мостового выпрямления. Выход выпрямителя записывается через нагрузочный резистор.

Преимущества диодного моста

• Во-первых, у него более высокая эффективность выпрямления (81.2%)
• Также у него сниженное пульсация напряжения
• Трансформатор не нужен в работе диодного моста
• Кроме того, высокий TUF при взвешивании с выпрямителем со средней отпиской
• Наконец, он достигает высоких частот, используя простое фильтрование

Недостатки

• Во-первых, более высокая стоимость строительства диодного моста, потому что он использует четыре диода
• Сниженное выходное напряжение из-за падений напряжения в системе
• Снова, конфигурации системы довольно сложны
• Наконец, он испытывает большое внутреннее сопротивление при работе с более низкими напряжениями.

Диодный мост хорош. В первом цикле переменного тока диоды D2 и D4 прямо смещены, таким образом проводя. Положительное напряжение на аноде D2, тогда как катодный терминал D4 имеет отрицательное напряжение. Первая половина сигнала проходит через эти два диода. Во время второй половины цикла диоды D1 и D3 прямо смещены, таким образом проводя. Общий эффект в том, что обе половины переменного тока могут пройти. После этого отрицательная половина инвертируется и становится положительной.

(Диодный мост)

Неуправляемые и управляемые выпрямители

Неуправляемые выпрямители (Uncontrolled Rectifiers)

Название неуправляемых выпрямителей относится к типу выпрямителя, обеспечивающему фиксированное выходное напряжение постоянного тока для определенного питания переменного тока. Неуправляемые выпрямители используют только диоды и могут быть либо полноволновыми управляемыми, либо полуволновыми управляемыми выпрямителями. Однако они менее эффективны, так как диоды могут быть только включены или выключены.

Управляемые выпрямители (Controlled Rectifiers)

Эта схема преобразует питание переменного тока в питание постоянного тока, используя тиристоры для управления питанием к нагрузке. Полуволновой управляемый выпрямитель состоит из одного SCR (Кремниевый Управляемый Выпрямитель). У них тот же дизайн, что и у неуправляемых выпрямителей, но они используют SCR вместо. Полуволновые управляемые выпрямители ограничивают потерю мощности, так как они предлагают постоянное управление мощностью.

3. Как работают выпрямительные цепи в электронике

Принцип работы выпрямительных цепей

Выпрямительные цепи работают просто, превращая источник переменного тока в источник постоянного тока. Они состоят из диодов, запертых через систему для создания только прямого движения электронов для питания устройств. Когда переменный ток проходит через выпрямительную цепь, диоды устраняют отрицательные колебания напряжения от источника переменного тока. Поэтому остается только положительное напряжение. Простой диод позволяет ток течь только в одном направлении, блокируя поток тока в обратном направлении.

Это изображение изображает волновую форму напряжения переменного тока от выпрямительного диода. Волновая форма тока имеет чередующиеся интервалы между короткими увеличениями напряжения, а также периодами без напряжения. Это постоянный ток, так как у него только положительное напряжение.

(Диаграмма диодного моста)

4. Предостережения для проектирования выпрямительной цепи

Есть меры предосторожности, которые вы должны учитывать при проектировании выпрямительной цепи в любом электрическом устройстве. Чтобы прояснить, мы обсудим самые важные предосторожности, которые влияют на выбор дизайна выпрямителя.

Положительный полуцикл

Во время положительного полуцикла напряжение, появляющееся на аноде и катоде, положительно. Это означает, что диод прямо смещен. Предполагая, что схема подключена к идеальному диоду и номинальная мощность постоянна. Пиковое напряжение Vm, называемое значением пикового напряжения без падений напряжения.

Однако мы должны учитывать падение напряжения на определенных диодах как кремниевый диод с 0.7В (падение напряжения). Он только прямо смещается, когда приложенное входное напряжение превышает пороговое напряжение (0.7В). Следовательно, схема начинает проводить.

Пиковое напряжение = Vm – 0.7В (падение напряжения)

Отрицательный полуцикл

Это отличается с отрицательным полуциклом, так как напряжение, появляющееся на аноде и катоде, отрицательно. Диод в выпрямительной цепи получает обратное смещение, действуя как разомкнутый переключатель. Это приводит к отсутствию потока тока. Это результаты в нулевом чтении напряжения на выходе.

Кроме того, в отрицательном полуцикле, даже после учета используемого диода, напряжение через диод отрицательно. Означает, что чтение на выходе все еще будет 0В.

Падения напряжения (Voltage drops):

Сетевое напряжение обычно несет много мощности. Частичная потеря мощности электрического потенциала тока при движении через цепь называется падением напряжения.

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

Расчет рассеиваемого тепла в выпрямителе:

Обычно это тепло, потерянное в процессе выпрямления, как падения напряжения и сопротивление происходят внутри диодов. Поэтому знание падений напряжения конкретных диодов, используемых в цепи, важно.

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

Пиковое обратное напряжение:

PIV относится к максимальному напряжению, которое диод может выдержать в обратном смещении. Следовательно, если превышено, диоды могут пробиться. Пиковое обратное напряжение равно входному напряжению.

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

5. Сглаживающий конденсатор

Сглаживающий конденсатор — это система, выравнивающая вариации в подаче сигнала. Они в основном применяются после выпрямителя или напряжения питания. Во время полуциклов создаются плавные переходы, когда конденсатор заряжается и разряжается. Процесс зарядки происходит, когда ток течет через положительные полуциклы.

Полноволновый выпрямитель со сглаживающим конденсатором

Сглаживающий конденсатор помогает улучшить неполную выходную пульсацию через диоды. Так, сглаживающий конденсатор подключается параллельно через диоды для поддержания стабильного напряжения в нагрузочной цепи.

Размещение нагрузки падает через выход полноволнового мостового выпрямителя. Конденсатор затем увеличивает выход постоянного тока. В результате сглаживающий конденсатор преобразует пульсирующий выход выпрямителя в более гладкий выход постоянного тока.

Пульсация напряжения обратно пропорциональна значению сглаживающего конденсатора. Два значения связаны формулой

V_ripple = I_load / (f x C)

Альтернативно, можно использовать интегральную схему стабилизатора напряжения для постоянного питания постоянного тока.

5мкФ Сглаживающий конденсатор

Заряд и емкость через 5мкФ сглаживающий конденсатор варьируются в зависимости от соединения внутри цепи. Эквивалентная емкость будет суммой всех конденсаторов, подключенных в цепи для конденсатора в параллельном соединении.

50мкФ Сглаживающий конденсатор

Точно так же тот же принцип применяется здесь для 50мкФ сглаживающего конденсатора. Напряжение в параллельном соединении цепи одинаково для всех конденсаторов. Однако 50мкФ делает более сильный сглаживающий конденсатор по сравнению с 5мкФ конденсатором.

(Изображение конденсаторов)

6. Заключение

Широкая gama устройств, использующих выпрямительные цепи, была установлена в этой статье. Одно применение — стабилизаторы напряжения, в то время как другое обычное использование включает компоненты блоков питания и детекторы амплитудной модуляции (AMD), используемые для радиосигналов. Устройство также когда-то было широко известно как кристаллический детектор в ранних радиоприемниках.

Мы надеемся, что эта статья отвечает на все ваши вопросы о выпрямительных цепях. Свободно связывайтесь с нами для базовых компонентов создания вашей выпрямительной цепи. С нетерпением ждем помощи в ваших проектах.