Выпрямители с умножением напряжения

Выпрямитель — устройство для преобразования переменного тока в постоянный, а также для стабилизации и регулирования выпрямленного напряжения.

В схеме рис. 1, а трансформатор не имеет повышающей обмотки на двойное напряжение со средней точкой, но одновременно с двухполупериодный выпрямлением выпрямитель удваивает напряжение.

В первый полупериод через диод Д1, напряжение на котором прямое, конденсатор C1 заряжается примерно до амплитудного напряжения вторичной обмотки. Во второй полупериод прямое напряжение будет на диоде Д2 и через него точно так же заряжается конденсатор С2.

Конденсаторы С1 и С2 соединены последовательно, и суммарное напряжение на них примерно равно двойному амплитудному напряжению трансформатора. Такое же максимальное обратное напряжение будет на каждом диоде. Одновременно с зарядом конденсаторов С1 и С2 происходит их разряд через нагрузку R, вследствие чего напряжение на конденсаторах понижается.

Чем меньше сопротивление нагрузки R, т. е. чем больше ток нагрузки и чем меньше емкость конденсаторов С1 и С2, тем быстрее они разряжаются и тем ниже напряжение на них. Поэтому практически удвоить напряжение нельзя. При емкости конденсаторов не менее 10 мкФ и токе нагрузки не более 100 мА можно получить напряжение больше даваемого трансформатором в 1,7 или даже в 1,9 раза.

Рис. 1. Схемы выпрямителей с удвоением (а) и с учетверением (б) напряжения

Достоинством схемы является то, что конденсаторы сглаживают пульсации выпрямленного тока.

Можно осуществить схемы выпрямителей с умножением напряжения в любое число раз. На рис. 1, б показана схема, дающая учетверение напряжения и имеющая четыре диода и четыре конденсатора. В нечетные полупериоды конденсатор С1 заряжается через диод Д1 почти до амплитудного значения напряжения трансформатора Ет. Заряженный конденсатор С1 сам является источником.

Поэтому в четные полупериоды, для которых полярность напряжения трансформатора будет обратной, конденсатор С2 заряжается через диод Д2 примерно до удвоенного напряжения 2Ет. Это напряжение является максимальным значением суммарного напряжения последовательно соединенных трансформатора и конденсатора С1.

Аналогично этому конденсатор С3 заряжается в нечетные полупериоды через диод Д3 также до напряжения 2Ет, которое является суммарным напряжением последовательно соединенных С1, трансформатора и С2 (при этом надо учесть, что напряжения на С1 и С2 действуют навстречу друг другу).

Рассуждая подобным образом далее, найдем, что конденсатор С4 будет заряжаться в четные полупериоды через диод Д4.опять до напряжения 2Ет, которое является суммой напряжений на C1, C3, трансформаторе и С2. Конечно, заряд конденсаторов до указанных напряжений происходит постепенно в течение нескольких полупериодов после включения выпрямителя. В результате с конденсаторов С1 и С4 можно получить учетверенное напряжение 4Ет.

Одновременно с конденсаторов С1 и С3 можно получить утроенное напряжение ЗЕт. Если прибавить к схеме еще конденсаторы и диоды, включенные по тому же принципу, то от ряда конденсаторов С1, С3, С5 и т. д. будут получаться напряжения, увеличенные в нечетное число раз (3, 5, 7 и т. д.), а от ряда конденсаторов С2, С4, С6 и т. д можно будет получать напряжения, увеличенные в четное число раз (2, 4, 6 и т. д.).

При включении нагрузки конденсаторы будут разряжаться и напряжение на них понизится. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем быстрее разряжаются конденсаторы и тем ниже становится напряжение на них. Поэтому при недостаточно больших сопротивлениях нагрузки использование подобных схем становится нерациональным.

Практически такие схемы дают эффективное умножение напряжения только при небольших нагрузочных токах. Конечно, можно получить и большие токи, если увеличить емкость конденсаторов. Достоинством приведенной схемы является возможность получения высоких напряжений без высоковольтного трансформатора. Кроме того, конденсаторы должны иметь рабочее напряжение лишь 2Ет, независимо от того, в какое число раз умножается напряжение, и каждый диод работает при максимальном обратном напряжении, равном только 2Ет.

Диоды выбираются по их основным параметрам: максимальному выпрямленному току I0mах и предельному обратному напряжению Uобp.пред. При наличии конденсатора на входе фильтра действующее значение напряжения вторичной обмотки трансформатора U2 во всех схемах выпрямителей, за исключением мостовой, не должно превышать — 35 % значения Uобp.пред. У двухполупериодной схемы с нулевой точкой напряжение U2 относится к одной половине обмотки. В мостовой схеме у не должно превышать 70 % значения Uобp.пред

Для выпрямления более высоких напряжений соединяют последовательно соответствующее число диодов.

При последовательном соединении германиевых и кремниевых диодов их обязательно шунтируют резисторами с одинаковыми сопротивлениями порядка десятков или сотен килоом (рис. 2). Если этого не сделать, то вследствие значительного разброса обратного сопротивления диодов обратное напряжение распределяется между ними неравномерно и возможен пробой диодов. А при наличии шунтирующих резисторов обратное напряжение практически делится между диодами поровну.

Параллельное cоединение диодов с целью получения больших токов нежелательно, так как вследствие разброса параметров и характеристик отдельных экземпляров диодов они будут неодинаково нагружаться током. Для выравнивания токов в этом случае последовательно с отдельными диодами включают уравнительные резисторы, сопротивления которых подбираются опытным путем.

Для трансформаторов выпрямителей первичная обмотка обычно имеет несколько секций, переключаемых на сетевое напряжение 110, 127 и 220 В.

Рис. 2. Последовательное соединение полупроводниковых диодов

Рис. 3. Способы регулировки напряжения

Вторичная обмотка рассчитывается на нужное напряжение. При двухполупериодной схеме она имеет вывод средней точки. Для уменьшения помех от сети в трансформаторах выпрямителей, питающих приемники, между первичной и вторичными обмотками помещают экранирующую обмотку, один конец которой присоединяется к общему минусу.

Дроссели для фильтра, как правило, имеют в сердечнике диамагнитный зазор для устранения магнитного насыщения, вызывающего уменьшение индуктивности. Сопротивление обмотки дросселя постоянному току обычно равно нескольким десяткам или сотням Oм. На нем и на повышающей обмотке трансформатора падает часть выпрямленного напряжения.

В цепь сетевой обмотки устанавливают выключатель и предохранитель для автоматического выключения выпрямителя при аварии. Если, например, пробит конденсатор фильтра, то произойдет короткое замыкание цепи выпрямленного тока. Ток в первичной обмотке станет значительно больше нормального и предохранитель расплавится. Без него трансформатор может сгореть. Кроме того, такое короткое замыкание весьма опасно и для диода, который может быть разрушен от перегрева слишком большим током.

Иногда первичную обмотку трансформатора делают с выводами на разные напряжения, например 190, 200, 210, 220 и 230 В, чтобы с помощью переключателя можно было при колебаниях сетевого напряжения поддерживать примерно постоянным напряжение выпрямителя (рис. 3, а). Другой способ регулировки — включение регулировочного автотрансформатора, имеющего выводы на разные напряжения и переключатель.

Включение регулировочного автотрансформатора позволяет при понижении сетевого напряжения подводить к первичной обмотке силового трансформатора нормальное напряжение (рис. 3, б). Выпускаются также специальные регулировочные автотрансформаторы для сетевого напряжения 127 и 220 В, позволяющие плавно регулировать напряжение от 0 до 250 В.

При работе с выпрямителем, особенно если он дает высокое напряжение, должны соблюдаться меры предосторожности, так как поражение человека напряжением в несколько сот вольт опасно для жизни.

Все части выпрямителя, находящиеся под высоким напряжением, должны быть защищены от случайных прикосновений к ним. Никогда не следует касаться частей работающего выпрямителя. Все присоединения к схеме выпрямителя или изменения в ней производятся при выключенном выпрямителе и разряженных конденсаторах фильтра. Полезно в качестве индикатора (указателя) высокого напряжения включить на выпрямленное напряжение неоновую лампу. Ее свечение сигнализирует о наличии высокого напряжения.

Неоновая лампа включается через ограничительный резистор сопротивлением в несколько десятков килоом. Наличие постоянной нагрузки в виде такой лампы предохраняет конденсаторы фильтра от пробоя при перенапряжении. Последнее может получиться, если выпрямитель работает вхолостую. При отсутствии нагрузки нет падения напряжения внутри выпрямителя, и поэтому напряжение на конденсаторах фильтра будет максимальным.

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

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Выпрямитель, что может быть проще? Часть первая, описательно теоретическая.

Выпрямитель. Казалось бы, что может быть проще? Основные схемы выпрямителей (без умножения напряжения) известны давно и во всех подробностях.

Схемы выпрямления могут использоваться не только с трансформатором, но и без трансформатора (кроме схемы со средней точкой).

Данная статья носит по большей части описательный и теоретический характер . И рассчитана на начинающих любителей электроники и тех, кто не имеет профильного образования, но хочет получше узнать о процессах происходящих в выпрямителе при различных условиях работы . Профессионалам и студентам радиотехнических и электротехнических специальностей ВУЗов она будет не интересна . Практические методики расчета выпрямителей я приведу в следующей статье , которая будет сугубо практической.

Сначала рассмотрим, как эти схемы выпрямителей работают на активную нагрузку. Рассмотрение будет довльно кратким, так это, действительно хорошо известно. Затем рассмотрю работу выпрямителя (мостовую схему) на активно-индуктивную и активно-емкостную нагрузки. Это соответствует двум способам сглаживания, уменьшения пульсаций, выпрямленного напряжения. Не обойду стороной и влияние сопротивления источника на работу выпрямителя.

Но сначала напомню пару общих моментов. Коэффициент пульсаций Кп на выходе выпрямителя определяется как отношение амплитуда первой (основной) гармоники U1 к постоянной составляющей выпрямленного напряжения

Постоянная составляющая U0 выпрямленного напряжения представляет собой среднее значение выпрямленного напряжения за период Т

Все временные диаграммы в статье, для упрощения, получены на симуляторе TINA версии 9.3.200.277 SF-TI, а не сняты осциллографом с реальных схем.

Однополупериодный выпрямитель

В течении положительной полуволны входного переменного напряжения диод открыт и напряжение на нагрузке равно по величине входному напряжению, за вычетом падения напряжения на диоде, и совпадает с ним по форме. В течении обратной полуволны диод закрыт и напряжение на нагрузке можно считать нулевым.

На этой иллюстрации входное напряжение показано фиолетовом цветом, его амплитуда 10 В, а частота 50 Гц. Выпрямленное напряжение показано синим цветом. Хорошо видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше, чем входного. Однако, здесь не видно одной тонкости. Диод открыт только когда к нему приложено достаточное напряжение (разное для Si и Ge). Я увеличил этот момент, что бы было видно. Линейный участок на графике выпрямленного напряжения, при приближении к нулевому уровню, не ошибка моделирования. Он отражает процесс, в данном случае, закрывания диода.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диоде

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение, а не действующее . Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как выходное напряжение отлично от 0 только в течении половины периода.

Коэффициент пульсаций Kп=1.57 . Вывод амплитуды первой гармоники выпрямленного напряжения я оставлю за скобками, так как это уже упражнение в математике и к теме статьи отношения не имеет.

Обратите внимание, что к диоду в закрытом состоянии прикладывается полное амплитудное напряжение. Например, для привычного действующего напряжения 220 В бытовой сети переменного тока амплитудное составит 310 В.

Кроме больших пульсаций выпрямленного напряжения однополупериодная схема обладает еще одним недостатком — она создает подмагничивание сердечника трансформатора (если он используется) постоянным током, так как ток в обмотке протекает только в одном направлении. И это надо учитывать при расчете трансформатора.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Фактически, является объединением двух однополупериодных выпрямителей, входной сигнал которых сдвинут на половину периода за счет использования вторичной обмотки трансформатора с отводом от средней точки. Диоды в этой схеме открываются поочередно, каждый в свою половину периода.

Параметры входного напряжения и цвета кривых точно такие же, как и для однополупериодного выпрямителя. Хорошо видно, частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте выходного переменного напряжения. Видно, что амплитуда выпрямленного напряжения меньше амплитуды входного из-за падения напряжения на диодах, как и для однополупериодного выпрямителя. Я не буду приводить увеличенного участка диаграммы, что бы показать моменты открывания и закрывания диодов. Тут все в точности, как и в однополупериодном выпрямителе.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы, без учета падения напряжения на диодах.

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора . Интегрирование выполняется на интервале 0-π, так как каждый из диодов открыт только половину периода. Коэффициент пульсаций Кп=0.67 .

Двухполупериодная схема обеспечивает в два раза меньшие пульсации выпрямленного напряжения и исключает подмагничивание сердечника трансформатора постоянным током, но имеет два существенных недостатка. Во первых, в два раза увеличиваются затраты на изготовление вторичной обмотки, да и места она занимает в два раза больше. Во вторых, к закрытому диоду приложено удвоенное амплитудное напряжение.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Очень популярная схема выпрямителя. Входное переменное напряжение подается в одну диагональ моста, а выпрямленное снимается с другой

Временная диаграмма работы мостового выпрямителя похожа на диаграмму для двухполупериодного со средней точкой. Но в мостовой схеме ток нагрузки протекает через два диода, поэтому амплитуда выпрямленного напряжения меньше. И это хорошо видно на иллюстрации.

Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, без учета падения напряжения на диодах, такая же, как для схемы со средней точкой

Обратите внимание, здесь Uвх это амплитудное напряжение каждой из половин вторичной обмотки трансформатора . Коэффициент пульсаций Кп=0.67 .

К закрытым диодам в мостовой схеме приложено полное амплитудное напряжение. Мостовая схема не подмагничивает сердечник трансформатора (если он используется) постоянным током и не требует дополнительных затрат на вторичную обмотку. Но в ней используется в два раза больше диодов, чем в схеме со средней точкой. И потери на диодах в два раза больше.

Работа выпрямителя на активно-индуктивную нагрузку

Работа выпрямителя на активную нагрузку встречается не часто. Давайте сначала посмотрим, что изменится, если нагрузка активно-индуктивная. Например, обмотка реле, или последовательно с активной нагрузкой включен сглаживающий дроссель. Для краткости я буду рассматривать лишь мостовую схему.

Сначала приведу временные диаграммы для напряжений

Здесь коричневым цветом показано напряжение на активной составляющей нагрузки, Rн, а синим напряжение на выходе выпрямителя, то есть, на последовательно включенных Lн и Rн.

Здесь зеленым цветом показан ток в нагрузке (Lн+Rн). А красным ток во вторичной обмотке трансформатора, то есть, входной ток выпрямителя с нагрузкой. Там, где красная линия пропадает, она совпадает с зеленой. На значения токов можно не обращать внимания, но если кому то интересно, то для моделирования выбрано сопротивление нагрузки 10 Ом и индуктивность 20 мГн.

Интересная картина, правда? Почему же так получилось? Во время положительного полупериода входного напряжения открыты диоды VD1 и VD4, а диоды VD2 и VD3 закрыты. Когда полярность входного напряжения меняется диоды VD1 и VD4 закрываются, а VD2 и VD3 открываются. Но при этом ток в нагрузке сохраняет прежнее направление.

Если нагрузка активная, то ток в ней повторяет по форме напряжение, а ток вторичной обмотки, входной ток выпрямителя, имеет синусоидальную форму.

Однако, наличие индуктивности препятствует изменению тока и ток нагрузки будет отставать от напряжения. Кроме того, пульсации тока будут сглаживаться, что видно на графике токов (зеленая линия). Если реактивное сопротивление индуктивности большое, примерно XL=ωпLн>10Rн (ωп частота пульсаций), ток нагрузки можно считать постоянным (пульсации отсутствуют), а следовательно и напряжение на активной составляющей нагрузки постоянно. При этом ток через диоды и ток вторичной обмотки трансформатора принимают практически прямоугольную форму.

При активно-индуктивной нагрузке длительность проводящего состояния диодов равна длительности полупериода входного переменного напряжения.

Если принять потери в индуктивности нулевыми, ток нагрузки идеально сглаженным, то напряжение на активном сопротивлении нагрузки будет равно постоянной составляющей выпрямленного напряжения для двухполупериодной схемы выпрямителя. При этом к закрытым диодам прикладывается полное амплитудное входное напряжение, как и в обычной мостовой схеме.

Таким образом, индуктивность в цепи нагрузки выпрямителя можно использовать для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. Однако, форма входного тока в таком случае не будет синусоидальной.

Работа выпрямителя на активно-емкостную нагрузку

Это гораздо более часто встречающийся случай. Почти всегда пульсации выпрямленного напряжения сглаживаются подключенным параллельно нагрузке конденсатором

Источник