Трехфазный мостовой выпрямитель — принцип работы и схемы

Если для маломощных схем постоянного тока применяют однотактные или мостовые однофазные выпрямители, то для питания более мощных нагрузок необходимы порой выпрямители трехфазные.

Трехфазные выпрямители позволяют получать большие величины постоянных токов с малыми уровнями пульсаций выходного напряжения, что сказывается на снижении требований к характеристикам сглаживающего выходного фильтра.

Итак, для начала рассмотрим однотактный трехфазный выпрямитель, изображенный на рисунке ниже:

В приведенной на рисунке однотактной схеме к выводам вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены всего три выпрямительных диода. Нагрузка присоединена к цепи между общей точкой, в которой сходятся катоды диодов, и общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора.

Давайте теперь рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений, имеющих место во вторичных обмотках трансформатора и на одном из диодов трехфазного однотактного выпрямителя:

Некоторым устройствам постоянного тока требуется большее напряжение питания, чем может дать однотактная схема, приведенная выше. Поэтому в некоторых случаях больше подходит схема трехфазного двухтактного выпрямителя. Принципиальная его схема приведена на рисунке ниже.

Как мы уже отмечали, требования к фильтру снижаются, вы сможете увидеть это по диаграммам. Данная схема известна как трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова:

Взгляните теперь на диаграммы и сравните их с однотактной схемой. Выходное напряжение в мостовой схеме легко представляется в виде суммы напряжений как бы двух однотактных выпрямителей, работающих в противоположных фазах. Напряжение Ud = Ud1+Ud2. Количество фаз на выходе очевидно больше и частота пульсаций сети больше.

В данном конкретном случае — шесть фаз постоянного напряжения вместо трех, которые были в однотактной схеме. Вот почему требования к сглаживающему фильтру снижаются, и в некоторых случаях без него можно полностью обойтись.

Три фазы обмоток вкупе с двумя полупериодами выпрямления дают основную частоту пульсаций равную шестикратной частоте сети (6*50 = 300). Это видно по диаграммам напряжений и токов.

Мостовое включение можно рассмотреть как объединение двух однотактных трехфазных схем с нулевой точкой, причем диоды 1, 3 и 5 — это катодная группа диодов, а диоды 2, 4 и 6 — анодная группа.

Два трансформатора будто бы объединены в один. В каждый момент прохождения тока через диоды — в процессе участвуют одновременно два диода — по одному из каждой группы.

Открывается катодный диод, к которому приложен более высокий потенциал относительно анодов противоположной группы диодов, и в анодной группе открывается именно тот из диодов, потенциал к которому приложен более низкий по отношению к катодам диодов катодной группы.

Переход рабочих промежутков времени между диодами происходит в моменты естественной коммутации, диоды работают по порядку. В итоге потенциал общих катодов и общих анодов может быть измерен по верхней и нижней огибающим графиков фазных напряжений (см. диаграммы).

Мгновенные значения выпрямленных напряжений равны разности потенциалов катодной и анодной групп диодов, то есть сумме ординат на диаграмме между огибающими. Выпрямленный ток вторичных обмоток показан на диаграмме для активной нагрузки.

Таким же образом можно получить от трехфазного трансформатора более шести фаз постоянного напряжения: девять, двенадцать, восемнадцать и даже больше. Чем больше фаз (чем больше пар диодов) в выпрямителе, тем меньше уровень выходных пульсаций напряжения. Вот, взгляните на схему с 12 диодами:

Здесь трехфазный трансформатор содержит две трехфазные вторичные обмотки, причем одна из групп объединена в схему «треугольник», вторая — в «звезду». Количества витков в обмотках групп отличаются в 1,73 раза, что позволяет получить со «звезды» и с «треугольника» одинаковые величины напряжения.

В данном случае сдвиг фаз напряжений в этих двух группах вторичных обмоток относительно друг друга получается равен 30°. Поскольку выпрямители включены последовательно, то выходное напряжение суммируется, и на нагрузке частота пульсаций оказывается теперь в 12 раз большей по отношению к сетевой частоте, при этом уровень пульсаций получается меньшим.

Источник

Мостовой схеме выпрямления (схеме Ларионова)

Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 3.2) состоит из трехфазного трансформатора и комплекта диодов, собранных по трехфазной мостовой схеме (схема профессора А.Н. Ларионова).

В схеме выпрямителя используется шесть диодов: VD1. VD6. Три диода (VD1, VD3, VD5) соединены в катодную группу. Их общая точка имеет положительную полярность. Из этих трех диодов проводящим будет тот, на аноде которого в данный момент наиболее высокий положительный потенциал. Три диода (VD2, VD4, VD6) соединены в общую точку анодами и образуют анодную группу.

Их общая точка имеет отрицательную полярность. Из диодов анодной группы проводящим будет тот, на катоде которого наиболее отрицательный потенциал. В каждый момент времени в рассматриваемой схеме выпрямителя, как и в однофазной мостовой схеме, открыты два диода: один — в катодной, а другой — в анодной группах. Каждый диод работает в течение одной трети периода (рис.3.2, г, д), что отражено на графиках для токов катодной (i_VDк) и анодной (i_VDa) групп.

Рисунок 3.2 — Трехфазный мостовой выпрямитель (схема Ларионова):

а – электрическая принципиальная схема;

б-е – диаграммы напряжений и токов

На рис. 3.2,б изображены кривые мгновенных значений напряжений в фазах вторичных обмоток трансформатора u_а, u_b, u_c а на рис. 3.2, в — кривые выпрямленных напряжения u_d и тока i_d. На интервале t₁—t₂, равном p/3, напряжение фазы a (u_a) имеет наибольшее положительное значение и, следовательно, на аноде диода VD1 потенциал наиболее высокий, т.е. диод VD1 открыт. Наибольшее отрицательное значение на этом же интервале имеет напряжение фазы b(u_b), т.е. катод диода VD4 имеет наибольший отрицательный потенциал, отпирающий этот диод.

Таким образом, на интервале t₁ – t₂ к сопротивлению нагрузки через открытые диоды VD1 и VD4 будет приложено линейное напряжение между точками a и b (u_ab). Под действием этого напряжения ток будет протекать по цепи: + u_а, VD1, R_d, VD4, —u_b. В момент t₂ (M₁ — точка естественной коммутации диодов) мгновенные значения напряжений u_в и u_с равны, а далее напряжение u_c будет более отрицательным. Это приведет к открытию диода VD6. Диод VD1 будет оставаться открытым, так как u_a остается положительным.

На интервале t₂ – t₃, также равном p/3, будут открыты диоды VD1 и VD6, к сопротивлению нагрузки будет приложено линейное напряжение между точками а и с, и ток будет протекать в том же направлении по цепи: +u_а, VD1, R_d, VD6, —u_с. В момент t₃ (точка N₁) произойдет переключение диодов VD1 и VD3; диод VD3 откроется, так как u_в будет равным u_a и далее большим, а диод VD1 закроется.

Поскольку на нагрузку работают две последовательно соединенные вторичные фазовые обмотки трансформатора, то график выпрямленного напряжения u_d представляет собой сумму огибающих фазовых напряжений работающих обмоток трансформатора.

Можно сформулировать правило: в схеме в любой момент времени открыты только два вентиля — а именно те, через которые к резистору нагрузки приложено наибольшее линейное напряжение

Период изменения основной гармонической переменной составляющей выпрямленного напряжения, как видно из рис.3.2, в, в 6 раз меньше периода изменения тока сети (Т₁ = Т_с/6). Следовательно, частота этой гармоники в 6 раз больше частоты тока питающей сети (f₁ = 6f_c). Несмотря на то, что схема получает электропитание от трехфазного трансформатора, кривая выпрямленного напряжения соответствует шестифазной схеме.

Мгновенное значение выпрямленного напряжения равно линейному напряжению работающих одновременно фаз:

(3.3)

Среднее значение выпрямленного напряжения равно:

(3.4)

Приняв для удобства за начало отсчета точку О₁ на огибающей u_d (посредине между t₁ = p/6 и t₂ = 3p/6 на рис.3.2, в), выразим среднее значение выпрямленного напряжения через функцию косинуса

(3.5)

Основные соотношения, показатели качества выпрямления и энергетические параметры трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления приведены в таблице 3.1.

Достоинства трехфазной двухтактной мостовой схемы выпрямления по сравнению с предыдущими схемами перечислены ниже .

1. Отсутствие вынужденного подмагничивания постоянной составляющей выпрямленного тока, что обеспечивает высокое значение коэффициента использования трансформатора.

2. Малая амплитуда обратного напряжения.

3. Возможность включения вентилей непосредственно в сеть переменного тока (без трансформатора), если напряжение имеет требуемую величину.

Основным недостатком данной схемы выпрямления является необходимость применения шести вентилей вместо трех по сравнению с предыдущей схемой Миткевича.

Трехфазные мостовые выпрямители находят наиболее широкое применение в ИВЭ РЭС при питании от трехфазных первичных источников.

Источник

Мост ларионова принцип работы

Как устроен трехфазный выпрямитель

Большая часть промышленного и профессионального оборудования, например, станки или сварочные аппараты используют трехфазное напряжение. Это значит, что они должны иметь в себе выпрямитель трехфазный. Обычно это устройство использует в себе трехфазный диодный мост. Обычно этих диодов шесть – по два на каждую фазу тока. Они могут обладать различными техническими характеристиками, в зависимости от мощности самого прибора, потребляемого тока и силы тока, необходимой для работы.

В статье будет рассказано о структуре трехфазного преобразователя, как он работает, на каком принципе основывается его функционирование и каких видов они бывают. В качестве дополнения, в статье приведены несколько видеороликов и одну скачиваемую статье в формате PDF.

Принцип работы и схемы

Если для маломощных схем постоянного тока применяют однотактные или мостовые однофазные выпрямители, то для питания более мощных нагрузок необходимы порой выпрямители трехфазные. Трехфазные выпрямители позволяют получать большие величины постоянных токов с малыми уровнями пульсаций выходного напряжения, что сказывается на снижении требований к характеристикам сглаживающего выходного фильтра. Итак, для начала рассмотрим однотактный трехфазный выпрямитель, изображенный на рисунке ниже:

В приведенной на рисунке однотактной схеме к выводам вторичных обмоток трехфазного трансформатора подключены всего три выпрямительных диода. Нагрузка присоединена к цепи между общей точкой, в которой сходятся катоды диодов, и общим выводом трех вторичных обмоток трансформатора. Давайте теперь рассмотрим временные диаграммы токов и напряжений, имеющих место во вторичных обмотках трансформатора и на одном из диодов трехфазного однотактного выпрямителя:

Некоторым устройствам постоянного тока требуется большее напряжение питания, чем может дать однотактная схема, приведенная выше. Поэтому в некоторых случаях больше подходит схема трехфазного двухтактного выпрямителя. Принципиальная его схема приведена на рисунке ниже. Как мы уже отмечали, требования к фильтру снижаются, вы сможете увидеть это по диаграммам. Данная схема известна как трехфазный мостовой выпрямитель Ларионова:

Взгляните теперь на диаграммы и сравните их с однотактной схемой. Выходное напряжение в мостовой схеме легко представляется в виде суммы напряжений как бы двух однотактных выпрямителей, работающих в противоположных фазах. Напряжение Ud = Ud1+Ud2. Количество фаз на выходе очевидно больше и частота пульсаций сети больше.

Три фазы обмоток вкупе с двумя полупериодами выпрямления дают основную частоту пульсаций равную шестикратной частоте сети (6*50 = 300). Это видно по диаграммам напряжений и токов. Мостовое включение можно рассмотреть как объединение двух однотактных трехфазных схем с нулевой точкой, причем диоды 1, 3 и 5 — это катодная группа диодов, а диоды 2, 4 и 6 — анодная группа. Два трансформатора будто бы объединены в один. В каждый момент прохождения тока через диоды – в процессе участвуют одновременно два диода — по одному из каждой группы.

Открывается катодный диод, к которому приложен более высокий потенциал относительно анодов противоположной группы диодов, и в анодной группе открывается именно тот из диодов, потенциал к которому приложен более низкий по отношению к катодам диодов катодной группы.

Переход рабочих промежутков времени между диодами происходит в моменты естественной коммутации, диоды работают по порядку. В итоге потенциал общих катодов и общих анодов может быть измерен по верхней и нижней огибающим графиков фазных напряжений (см. диаграммы). Мгновенные значения выпрямленных напряжений равны разности потенциалов катодной и анодной групп диодов, то есть сумме ординат на диаграмме между огибающими.

Выпрямленный ток вторичных обмоток показан на диаграмме для активной нагрузки. Таким же образом можно получить от трехфазного трансформатора более шести фаз постоянного напряжения: девять, двенадцать, восемнадцать и даже больше. Чем больше фаз (чем больше пар диодов) в выпрямителе, тем меньше уровень выходных пульсаций напряжения.

Мостовой тип устройства

Трехфазная мостовая схема выпрямления использует шесть диодов (или тиристоров, если требуется управление). Выходное напряжение характеризуется тремя значениями: минимальным U, средним U и пиковым напряжением. Полноволновой трехфазный выпрямитель похож на мост Гейца. Схема полноволнового трехфазного устройства. Обычный трехфазный выпрямитель не использует нейтраль. Для сети 230 В / 400 В между двумя входами выпрямителя. Действительно, между 2 входами всегда есть составное напряжение U (= 400 В). Неконтролируемое устройство означает, что нельзя отрегулировать среднее выходное U для этого входного U. Неконтролируемое выпрямление использует диоды.

Управляемый выпрямитель позволяет регулировать среднее выходное напряжение, воздействуя на задержки срабатывания тиристора (используется вместо диодов). Эта команда требует сложной электронной схемы.

Диод ведёт себя как тиристор, загружаемый без задержки. Выходное U трехфазного выходного напряжения. Всего 7 кривых: 6 синусоид и красная кривая, соединяющая верхнюю часть синусоид («синусоидальные шапки»). 6 синусоидов представляют собой 3 напряжения, составляющие U между фазами и 3 одинаковыми напряжениями, но с противоположным знаком:

Красная кривая представляет U на выходе выпрямителя, то есть на клеммах резистивной нагрузки. Это U не относится к нейтрали. Она плавает. Это U колеблется между 1,5 В max и 1,732 Вmax (корень из 3). Umax — пиковое значение одного напряжения и составляет 230×1,414 = 325 В.

Свойства трехфазного напряжения

Кривая, действующая только на резистивной нагрузке, неконтролируемое выпрямление (с диодами), не возвращается на ноль, в отличие от моночастотного устройства (мост Грейца). Таким образом, пульсация значительно ниже и размеры индуктора и / или сглаживающего конденсатора менее ограничительны, чем для моста Гейца. Для получения ненулевого выходного U требуется по меньшей мере две фазы. Минимальное, максимальное и среднее значение напряжения. Численно, для сети 230 В / 400 В выпрямленное напряжение колеблется между минимальным напряжением: 1,5 В мин = 1,5 х (1,414×230) = 488 В, и максимальным: 1,732 Вмакс = 1,732 х (1,414×230) = 563 В.

Среднее значение трехфазного выпрямленного напряжения: avg = 1,654Vmax = 1,654 x (1,414×230) = 538 В. Выходное напряжение трехфазного выходного выпрямителя (зум). 3-фазный полноволновый выпрямитель MDS 130A 400V. 5 терминалов: 3 фазы, + и -. Этот выпрямитель содержит 6 диодов. Таким образом, можно суммировать следующие моменты:

• 6 диодов, 2 диода на фазу — слабая пульсация по сравнению с одноволновым выпрямителем (мост Гейца);
• среднее значение выпрямленного напряжения: 538 В для сети 230 В / 400 В;
• нейтраль не используется трехфазным выпрямителем.

Работа диодного моста

Он состоит из четырёх диодов, и эта конфигурация подключается через нагрузку. Во время положительного полупериода входных сигналов диодов D1 и D2 в прямом направлении смещены, а D3 и D4 обращены назад. Когда напряжение, превышающее пороговый уровень диодов D1 и D2, начинает проводиться — ток начинает протекать через него, как показано на рисунке ниже на красной линии. Во время отрицательного полупериода входного сигнала AC диоды D3 и D4 смещены вперёд, а D1 и D2 обращены в обратном направлении. Ток нагрузки начинает протекать через диоды D3 и D4, когда эти диоды начинают проводить, как показано на рисунке.

В обоих случаях направление тока нагрузки одинаковое, как показано на рисунке одностороннее, что означает DC. Таким образом, при использовании мостового выпрямителя входной ток AC преобразуется в DC. Выход на нагрузке с помощью этого мостового выпрямителя имеет пульсирующий характер, но для получения чистого DC требуется дополнительный фильтр, такой как конденсатор. Такая же операция применима для различных мостовых выпрямителей, но в случае управляемых выпрямителей запускается тиристор, чтобы управлять током для нагрузки.

Режим 1 (от α до π). В положительном полупериоде подаваемого переменного сигнала SC1 T1 и T2 являются прямым смещением и могут быть включены под углом α. Напряжение нагрузки равно положительному мгновенному напряжению питания AC.

Режим 2 (π toπ + α). При wt = π входное питание равно нулю, а после π оно становится отрицательным. Но индуктивность противодействует любым изменениям для поддержания DC нагрузки и в том же направлении.

Действие схемы

Действие схемы 3-фазного полностью контролируемого мостового выпрямителя описывается в этой странице. Трехфазный полностью контролируемый мостовой выпрямитель может быть сконструирован, используя шесть тиристоров. Можно видеть, что напряжение фазы А является наивысшим из трех фазных напряжений, когда Θ находится между 30° и 150°.

Также можно видеть, что напряжение фазы В является наивысшим трехфазных напряжений, когда Θ находится в между 150 и 270° и что напряжение фазы С является наивысшим из фазных напряжений, когда Θ находится между 270 и 390° или 30° в следующем цикле.

Если используются диоды, диод d1 вместо s1 проводил бы напряжение от 30 до 150°, диод d3 проводил бы от 150 до 270° и диод d5 – от 270 до 390° или 30° в следующем цикле. Таким же образом, диод d4 проводил бы от 210 до 30°, диод d6 – от 330 до 450° или 90° в следующем цикле, и диод d2 проводил бы от 90 до 210°. Положительный рельс выходного напряжения моста соединяется с наивысшими сегментами конверта трехфазных напряжений и отрицательного рельса выведенного напряжения к самым низким сегментам конверта.

На любой момент кроме переходных периодов, когда электрический ток перемещен от одного диода к другому, только одна из следующих пар работает в каждый момент.

Промежуток Θ	Работающий диод
30 до 90	D1 и D6
90 до 150	D1 и D2
150 до 210	D2 и D3
210 до 270	D3 и D4
270 до 330	D4 и D5
330 до 360 и 0 до 30	D5 и D6

Если используются тиристоры, их включение может быть задержано выбором нужного угла открытия. Когда тиристоры открываются при угле 0, выход из мостового выпрямителя такой же, как из схемы с диодами. Например, видно, что d1 начинает проводить только после Θ = 30°. Действительно, он может начать проводить только после Θ = 30°, так, как он реверсивно направлен до Θ = 30°. Смещение через d1 становится равным 0, когда Θ = 30° и диод d1 начинает становиться прямонаправленным только после Θ = 30°.

Когда Va(Θ)= E*sin (Θ), диод d1 обратно направлен перед Θ = 30° и прямонаправлен когда Θ = 30°. При нулевом угле открытия тиристоров s1 открывается, когда Θ = 30°. Это означает, что если синхронизирующий сигнал нужен для открытия s1, то сигнальное напряжение Va(Θ) отстает на 30° и если угол открытия Θ, тиристор s1 запущен, когда Θ = α + 30°. Предоставляют, что проводимость непрерывна, следующая таблица представляет пару тиристоров в проводимости в любой момент.

Промежуток Θ	Работающий диод
α + 30 до α + 90	S1 и S6
α + 90 до α + 150	S1 и S2
α + 150 до α + 210	S2 и S3
α + 210 до α + 270	S3 и S4
α + 270 до α + 330	S4 и S5
α + 330 до α + 360 и α + 0 до α + 30	S5 и S6

Затем с изменением мгновенного угла проводящая пара соединяется с толстыми оранжевыми дугами. (на рисунке) Один способ представить себе – вообразить две щетки, которые являются 120° шириной и устройство в фазе соединенное с поведением щеток.

Щетка, которая имеет “угол открытия” написано рядом она действует как щетка соединенная с положительным рельсом и другая действует как будто бы она соединена с отрицательным рельсом. Эта диаграмма иллюстрирует, как схема выпрямителя действует как коммутатор и преобразует переменный ток в постоянный. Выходное напряжение определяется амплитудой фазового напряжения, являясь единым значением.

Что такое диодный мост — простое объяснение

Мы рассматривали пассивные компоненты электронных схем, такие как резисторы и конденсаторы. Но кроме них электрикам и радиолюбителям приходится сталкиваться и с другими, например полупроводниковыми диодами, стабилитронами и т.д. В этой статье мы расскажем, что такое диодный мост, как он работает и для чего нужен.

Определение

Диодный мост – это схемотехническое решение, предназначенное для выпрямления переменного тока. Другое название – двухполупериодный выпрямитель. Строится из полупроводниковых выпрямительных диодов или их разновидности – диодов Шоттки.

Мостовая схема соединения предполагает наличие нескольких (для однофазной цепи – четырёх) полупроводниковых диодов, к которым подключается нагрузка.

Он может состоять из дискретных элементов, распаянных на плате, но в 21 веке чаще встречаются соединенные диоды в отдельном корпусе. Внешне это выглядит, как и любой другой электронный компонент – из корпуса определенного типоразмера выведены ножки для подключения к дорожкам печатной платы.

Стоит отметить, что несколько совмещенных в одном корпусе вентилей, которые соединены не по мостовой схеме, называют диодными сборками.

В зависимости от сферы применения и схемы подключения диодные мосты бывают:

Обозначение на схеме может быть выполнено в двух вариантах, какое использовать УГО на чертеже зависит от того, собирается мост из отдельных элементов или используется готовый.

Принцип действия

Давайте разбираться, как работает диодный мост. Начнем с того, что диоды пропускают ток в одном направлении. Выпрямление переменного напряжения происходит за счет односторонней проводимости диодов. За счет правильного их подключения отрицательная полуволна переменного напряжения поступает к нагрузке в виде положительной. Простыми словами – он переворачивает отрицательную полуволну.

Для простоты и наглядности рассмотрим его работу на примере однофазного двухполупериодного выпрямителя.

Принцип работы схемы основам на том, что диоды проводят ток в одну сторону и состоит в следующем:

На вход диодного моста подают переменный синусоидальный сигнал, например 220В из бытовой электросети (на схеме подключения вход диодного моста обозначается как AC или

).

Каждая из полуволн синусоидального напряжения (рисунок ниже) пропускается парой вентилей, расположенных на схеме по диагонали.

Положительную полуволну пропускают диоды VD1, VD3, а отрицательную — VD2 и VD4. Сигнал на входе и выходе схемы вы видите ниже.

Такой сигнал называется – выпрямленное пульсирующее напряжение. Для того, чтобы его сгладить, в схему добавляется фильтр с конденсатором.

Основные характеристики

Рассмотрим основные характеристики полупроводниковых диодов. Латинскими буквами приведено их обозначение в англоязычной технической документации (т.н. Datasheet):

• Vrpm – пиковое или максимальное обратное напряжение. При превышении этого напряжения pn-переход необратимо разрушается.
• Vr(rms) – среднее обратное напряжение. Нормальное для работы, то же что и Uобр в характеристиках отечественных компонентов.
• Io – средний выпрямленный ток, то же что и Iпр у отечественных.
• Ifsm – пиковый выпрямленный ток.
• Vfm – падение напряжения в прямом смещении (в открытом проводящем состоянии) обычно 0.6-0.7В, и больше у высокотоковых моделей.

При ремонте электронной техники и блоков питания или их проектировании новички спрашивают: как правильно выбрать диодный мост?

В этом случае самыми важными для вас параметрами будут обратное напряжение и ток. Например, чтобы подобрать диодный мост на 220В, нужно смотреть на модели с номинальным напряжением больше 400В и нужный ток, например, KBPC106 (или 108, 110). Его технические характеристики:

• максимальный выпрямленный ток – 3А;
• пиковый ток (кратковременно) – 50А;
• обратное напряжение – 600В (800В, 1000В у KBPC108 и 110 соответственно).

Запомните эти характеристики и вы легко сможете определить, какой выбрать вариант по каталогу.

Схемы выпрямителей

Выпрямление тока в блоках питания – основное назначение, среди других компонентов схемы можно выделить входной фильтр, который подключают после выпрямителя – он предназначен для сглаживания пульсаций. Давайте разберемся в этом вопросе подробнее!

В первую очередь стоит отметить, что диодным мостом называют схему однофазного выпрямителя из 4 диодов или трёхфазного из 6. Но любители часто так называют схему выпрямителя со средней точкой.

У двухполупериодного выпрямителя к нагрузке поступает две полуволны, а у однополупериодного – одна.

Чтобы не было путаницы, давайте разбираться в терминологии.

Ниже вы видите однофазную двухполупериодную схему, её правильное название «Схема Гретца», именно её чаще всего подразумевают под названием «диодный мост».

Схема Ларионова – трёхфазный диодный мост, на выходе сигнал двухполупериодный. Диоды в нём пропускают полуволны, открываясь на линейное напряжение, т.е. поочередно: верхний диод фазы A и нижний диод фазы B, верхний фазы B и нижний фазы C и т.д.

Для полноты картины следует рассказать и о других схемах выпрямителей переменного напряжения.

Однополупериодный выпрямитель из 1 диода, включенного последовательно с нагрузкой. Применяется в балластных блоках питания, маломощных миниатюрных блоках питания, а также в приборах, нетребовательных к коэффициенту пульсаций. К нагрузке поступает только одна полуволна.

Двухполупериодный со средней точкой – это и есть то, что ошибочно называют мостом из 2 диодов. Здесь каждую полуволну проводит только один диод. Её преимуществом является больший КПД, чем у схемы Гретца, за счет меньшего числа полупроводниковых вентилей. Однако её использование осложнено тем, что нужен трансформатор с отводом от средней точки, что отражено на схеме принципиальной. Её нельзя использовать для выпрямления сетевого напряжения 220В.

Выпрямитель из сборок Шоттки. Используется в импульсных блоках питания, потому что у диодов Шоттки меньше время обратного восстановления, малая барьерная ёмкость (быстрее переход из открытого состояния в закрытое) и малое прямое падение напряжения (меньше потерь). Чаще всего Шоттки встречаются в сборках, с общим анодом или катодом, как изображено на рисунке ниже.

Поэтому для сборки схемы моста потребуется несколько сборок. Ниже приведен пример из 3 сборок Шоттки с общим катодом.

Из 4 сборок с общим катодом. Отличается от предыдущей тем, что выдерживает больший ток, при тех же компонентах потому, что Шоттки в ней соединены параллельно.

Из 2 сборок Шоттки – одна с общим анодом и одна с общим катодом. Узнать о том, что такое анод и катод, вы можете в нашей отдельной статье.

Как спаять и подключить

Изучать и знать схемы не сложно, основные трудности возникают, когда новичок решает спаять диодный мост своими руками. Для пайки выпрямителя из 4 советских экземпляров типа кд202 используйте иллюстрацию приведенную ниже.

Для сборки диодного моста из современных дискретных диодов типа маломощных 1n4007 (и других – все выглядят аналогично и отличаются только размерами) внимательно посмотрите на следующую иллюстрацию.

Но если вы не собираете его из отдельных деталей, а используете готовый мост, то смотрите ниже, как правильно подключить его в цепь.

Также новичкам будет интересно посмотреть видео о том, как сделать простейший блок питания на 12В:

Область применения и назначение

Чаще всего диодные мосты используют в блоках питания. В трансформаторных БП они подключаются ко вторичной обмотке трансформатора

В импульсных БП – ко входу сети 220В. При этом электронная схема управления и силовая цепь ИБП питается от выпрямленного и сглаженного (не всегда) сетевого напряжения (достигает порядка 300-310 Вольт).

На выводах вторичной обмотки импульсного блока питания высокочастотное переменное напряжение. Для того, чтобы его выпрямить, устанавливают сборки из сдвоенных диодов Шоттки. В связи с этим часто используют схему выпрямления со средней точкой.

В автомобилях и мотоциклах используются трёхфазные диодные мосты, собранные по схеме Ларионова с тремя дополнительными вентилями, потому что для питания бортовой сети используется трёхфазный генератор. Мост в генераторе выполняется в виде сектора окружности и устанавливается на его задней части.

Исключение составляют некоторые современные автомобили Toyota и прочих марок, в них используют 6 фазный генератор, для реализации двенадцатипульсной схемы выпрямления из 12 вентилей. Это нужно для снижения пульсации и увеличения выходного тока.

Способы проверки

Для проверки диодного моста лучше всего подходит мультиметр в режиме проверки диодов.

Для этого нужно прозвонить на короткое замыкание входную, затем выходную (диодный мост должен быть выпаян).

Не выпаивая прямо на плате, вы можете измерить падение напряжения на переходах диодов. Для этого нужно определить цоколевку моста, обычно она указывается прямо на корпусе, что мы и рассматривали выше.

На экране мультиметра в прямом смещении должно отображаться цифры в пределах 500-800 мВ, а в обратном – выше 1500 и до бесконечности (зависит от конкретного компонента и измерительного прибора). Тоb же самое можно сделать в режиме Омметра, как показано на рисунке ниже.

Более подробно этот процесс описан в статье «как проверить диодный мост», где кроме методики проверки мы рассказали и о признаках неисправности. Также ознакомьтесь с видео о том, как проверить однофазный выпрямитель и диодный мост автомобильного генератора:

На этом мы и заканчиваем наше подробное объяснение. Надеемся, теперь вам стало понятно, для чего нужен диодный мост и что он делает в электрической цепи.
Источник ►

Трехфазная мостовая сема выпрямления (сх. Ларионова)

Эта схема по сравнению с трехфазной схемой Миткевича имеет:

напряжение на вентиле в 2 раза меньше, лучшее использование трансформатора, отсутствие вынужденно намагничивания магнитопровода, меньшую амплитуду и большую частоту пульсации, возможность непосредственно от сети без трансформатора. Недостатком мостовой схемы по сравнению со схемой Миткевича являются: большое количество вентилей и повышенное падение напряжения в вентильном комплекте.

Мостовая схема выпрямления трёхфазного переменного тока (сх. Ларионова) и временные диаграммы её работы приведены на рисунке 7.

Основные преимущества трехфазной мостовой схемы по сравнению с однополупериодной трехфазной следующие: коэффициент пульсации 5,7% против 25%; частота пульсации 300Гц против 150Гц; расчетная мощность трансформатора всего на 5% превышает мощность выпрямленного тока, в то время как в однополупериодной на 35%; отсутствует подмагничивание магнитопровода трансформатора, можно применять трансформатор без вывода средней точки вторичной обмотки.
^К недостаткам схемы Ларионова следует отнести необходимость применения удвоенного числа диодов (6 против 3), что в настоящее время не является решающим при выборе схемы выпрямителя.

43. Выпрямление однофазного тока.

Выпрямителем называется электронное устройство, преобразующее энергию переменного тока (обычно синусоидального) в энергию постоянного тока.

Выпрямитель состоит из трансформатора ТV, первичная обмотка которого включена в сеть переменного тока, а последовательно со вторичной включен диод VD и сопротивление нагрузки. Трансформатор служит для получения необходимого уровня переменного напряжения и гальванической развязки цепей переменного и выпрямленного тока.

При этом для простоты анализа будем считать активное сопротивление обмоток трансформатора и прямое сопротивление диода равными нулю. В первый полупериод (0 – ) напряжение положительно, диод открыт, в сопротивлении нагрузки возникает ток . Во время напряжение отрицательно – диод закрыт. Ток нагрузки равен нулю и все напряжение приложено ко второму диоду.

Достоинством такой схемы является ее простота. Недостатками – высокий коэффициент пульсации выпрямленного напряжения (q=1.57) и наличие постоянной составляющей тока во вторичной обмотке трансформатора, Низкий коэффициент использования габаритной мощности трансформатора (около 0,45), униполярный ток, который проходя через вторичную обмотку, намагничивает сердечник трансформатора, изменяя его характеристики и уменьшая КПД; малое значение выпрямленного напряжения ;

применяется в импульсных блоках питания с частотой переменного напряжения свыше 10 кГц, широко применяющихся в современной бытовой и промышленной аппаратуре(электронно-лучевые трубки, трубки рентгеновских аппаратов). Объясняется это тем, что при более высоких частотах пульсаций выпрямленного напряжения, для получения требуемых характеристик (заданного или допустимого коэффициента пульсаций), необходимы сглаживающие элементы с меньшими значениями емкости (индуктивности). Вес и размеры источников питания уменьшаются с повышением частоты входного переменного напряжения. U_ср = 0,318 U_max

Двухполупериодный (мостовой) выпрямитель состоит из трансформатора ТV и четырех диодов VD1 – VD4, включенных по мостовой схеме

.

К одной диагонали моста подключена обмотка трансформатора, к другой – нагрузочное сопротивление . Каждая пара диодов работает поочередно. В первый полупериод напряжения U2 открыты диоды VD1 и VD3, а VD2 и VD4 закрыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD1, VD3 и сопротивление в направлении от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод напряжение отрицательно, диоды VD1, VD3 заперты, а диоды VD2, VD4 открыты. Ток нагрузки протекает через диоды VD2, VD4 и сопротивление в направлении от точки 1 к точке 2.

U_cp=0,636U_max, меньший коэф пульсации q=0.667

Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как объединенные вместе два однополупериодных выпрямителя. В каждый полупериод напряжения работает или верхняя, или нижняя часть схемы. При положительном напряжении диод VD1 открыт, диод VD2 закрыт. Ток нагрузки протекает через диод VD1 и от точки 1 к точке 2. В следующий полупериод положительно направление . Диод VD1 закрыт, VD2 – открыт. Ток нагрузки протекает через диод VD2 и также от точки 1 к точке 2

Эта схема имеет те же преимущества перед однополупериодным выпрямителем, что и мостовая схема. Количество диодов в два раза меньше, чем у мостового выпрямителя, но применение трансформатора увеличивает ее массу и габариты.

Трехфазная мостовая схема (схема Ларионова)

Трехфазная мостовая схема (рис. 1.6, а) обладает наилучшим коэффициентом использования трансформатора по мощности, наименьшим обратным напряжением на диодах и высокой частотой пульсации (шестипульсная) выпрямленного напряжения, что, в некоторых случаях, позволяет использовать эту схему без фильтра. Схема приме­няется в широком диапазоне выпрямленных напряжений и мощностей.

Схема трехфазного мостового выпрямителя содержит выпрямительный мост из шести вентилей, в котором последовательно соединены две трехфазные группы. В нижней группе вентили соединены катодами (катодная группа), а в верхней – анодами (анодная группа). Нагрузка подключается между точками соединения катодов и анодов вентилей. Схема допускает соединение как первичных, так и вторичных обмоток трансформатора звездой или треугольником.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу идеализированного трехфазного мостового выпрямителя на активную нагрузку, представлены на рис. 1.6 (б, в).

Рис. 1.6. Трехфазная мостовая схема выпрямления (схема Ларионова) (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б, в).

Каждая из двух групп выпрямителя повторяет работу трехфазного выпрямителя со средней точкой, поэтому при таком же значении напряжения вторичной обмотки трансформатора , как и в трехфазном выпрямителе со средней точкой, среднее выпрямленное напряжение данного выпрямителя будет в два раза больше или наоборот, при том же значении величина будет в два раза меньше [2, 3]:

, ,

что сокращает число витков вторичных обмоток трансформатора и снижает требования к изоляции.

Максимальное обратное напряжение вентиля данной схемы, как и в трехфазной схеме со средней точкой, равно амплитуде линейного вторичного напряжения. Однако ввиду того, что при том же значении величина в данной схеме в два раза меньше, соотношение здесь получается более предпочтительным

В схеме трехфазного выпрямителя со средней точкой ток нагрузки создается под действием фазного напряжения вторичной обмотки трансформатора, а в мостовой схеме – под действием линейного напряжения. Ток нагрузки здесь протекает через два вентиля: один – с наиболее высоким потенциалом анода относительно нулевой точки трансформатора из катодной группы, другой – с наиболее низким потенциалом катода из анодной группы. Иными словами, в проводящем состоянии будут находиться те два накрест лежащих вентиля выпрямительного моста, между которыми действует в проводящем направлении наибольшее линейное напряжение.

За период напряжения питания происходит шесть переключений вентилей и схема работает в шесть тактов, в связи с чем ее часто называют шестипульсной. Таким образом, выпрямленное напряжение имеет шестикратные пульсации, хотя угол проводимости каждого вентиля такой же, как в трехфазной схеме со средней точкой, т.е. 2π/3 (120º). Среднее значение тока вентиля соответственно составляет . При этом интервал совместной работы двух вентилей равен π/3 (60º).

Кривая тока вторичной обмотки трансформатора определяется токами двух вентилей, подключенных к данной фазе. Один из вентилей входит в анодную группу, а другой – в катодную. Вторичный ток является переменным с паузой между импульсами длительностью π/3 (60º), когда оба вентиля данной фазы закрыты. Постоянная составляющая во вторичном токе отсутствует, в связи с чем поток вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора в мостовой схеме не создается.

На базе этой схемы возможно построение 12-ти и 24-х пульсных схем выпрямления, которые используют последовательное и параллельное соединение схем при различном сочетании соединений («звезда» или «треугольник») вторичных обмоток трансформатора.

Диодный мост

Диодный мост – конструкция, позволяющая выпрямить ток результативно. Диодный мост считается двухполупериодным выпрямителем.

Диод, мосты и трудности выпрямления тока

Первоначально диодами называли электронные лампы с двумя электродами. Нагретый катод испускал электроны, способные лететь в единственном направлении – на анод. А в обратном направлении ток не тек. Это позволяло отсечь часть периода переменного напряжения. В результате ток становился выпрямленным.

Недостаток конструкции очевиден – часть времени, половину интервала, схема бездействует. По указанной причине создать высокую эффективность сложно. Говорим не о КПД, скорее, затрагиваем общую мощность. Напряжение в сети ограничено по номиналу, требуется действенно использовать имеющееся. Если повышать потребление через единственный диод, он перегреется и сгорит. Здесь на помощь приходит диодный мост.

Конструкция моста на схеме

Конструкции, рассмотренные в статье, как раз направлены на улучшение определённых свойств. Иначе давно применялся бы диодный мост единственной конфигурации. Известный диодный мост на четырёх вентилях далеко не единственный по простой причине – предназначен для работы с одной фазой напряжения. Это ущербный вариант, поставляемый в наши дома из целей экономии проводов, и в промышленности не применяется.

Начнём с Николы Тесла. Этот человек первым придумал вращающееся магнитное поле. Прежде переменный ток использовался, но при помощи единственной фазы озвученное явление создать нельзя. Внутри двигателя нужно, чтобы поле вращалось. Единственная фаза физически обеспечить это не в силах. Никола Тесла изобрёл асинхронный двигатель, со множеством полюсов. Отметим, что коллекторные разновидности моторов способны работать от переменного и постоянного тока, но рекомендуется избегать конструкций с постоянными магнитами. Ротор и статор собираются из медных обмоток. Полагаем, что в 19 веке подобных разновидностей двигателей не было.

Вернёмся к фазам. Изобретя асинхронный (индукционный) двигатель переменного тока, Никола Тесла попутно отметил в патенте возможность дальнейшего увеличения фаз, но дальше не пошёл. Позднее Доливо-Добровольский доказал, что гораздо результативнее использовать три фазы. Сегодня промышленные конструкции используют этот вариант. Заметим, любой двигатель может работать на потребление и генерацию тока, читатели поймут, что однофазный диодный мост не станет идеальным решением. Это ущербный, урезанный вариант для бытовой техники. Не более.

Бортовые системы несут в составе генератор на три фазы, это самая результативная конструкция сегодня из возможных. Используется уже схема Ларионова. Так достигается наилучшее соотношение экономии и эффективности. Неплохими характеристиками обладают выпрямительные схемы Миткевича. Школьные и ВУЗовские курсы физики имеют упрощённую структуру ввиду слишком сильного развития науки: невозможно за семестр вместить в головы учащихся всю информацию.

Диодный мост Гретца для бытовой техники не считается единственно возможным. Известны варианты на три фазы, гораздо более распространенные, чем кажется изначально. Диоды по конструкции и характеристикам сильно отличаются друг от друга. Это обусловливает специфику применения. Допустим, силовые разновидности мощные, но несут большие потери. Потому в выходных цепях импульсных блоков питания применяются диоды Шоттки с малым падением напряжения на p-n-переходе.

Конструкции диодных мостов

Единственная конструкция диодного моста не в силах обеспечить всех потребностей. Поэтому в автомобилях применяются схемы Ларионова. Сейчас обсудим конструкции, вначале проясним, почему диодный мост так называется. В 1833 году предложена схема для измерения сопротивления, основанная на выравнивание потенциала средних выводов двух ветвей:

1. Четыре сопротивления соединяются в квадрат (по одному на сторону геометрической фигуры).
2. К двум углам подаётся питающее напряжение от аккумулятора или другого источника.
3. С двух других углом снимаются показания любым регистратором напряжения или тока.

Смысл работы заключается в том, чтобы при помощи потенциометра показания индикатора обратить в нуль. Тогда говорят – наступило равновесие моста. В то время (до публикации законов Кирхгофа) уже знали, что падение напряжение на двух резисторах пропорционально их величине, значит, справедливо, что: R1/R2 = R3/Rx, где R2 – потенциометр, R1 и R3 – постоянные сопротивления известного номинала, Rx – исследуемый элемент. Потом из простой пропорции находится искомая величина.

Мостовой схему в англоязычной литературе называют по причине, что между двумя ветвями электрической цепи, состоящих из сопротивлений R1, R2 и R3, Rx, соответственно, перекинуты перемычка – измерительный прибор. Людям это напомнило мост, схему назвали соответственно.

Диодный мост Гретца

В 1897 году журнал Elektronische Zeitung (часть 25) опубликовал заметку Лео Гретца об исследовании диодного моста. Отдельные читатели решили, что указанный человек стал изобретателем устройства. Поныне (на 2016 год) русский домен Википедии продолжает утверждать неоспоримый факт. В действительности изобретателем диодного моста Гретца стал польский электротехник Карол Поллак. Авторам обзора не удалось найти биографии учёного мужа на русском языке. Неудивительно, что о патенте под номером 96564 от 14 января 1896 года мало известно.

Из рисунка видно объяснение названия схемы – диодный мост, налицо все признаки:

1. Две ветки из диодов по центру закорочены цепью нагрузки.
2. Питание переменным током подаётся к двум сторонам квадрата.
3. На выходе присутствует постоянное напряжение.

К недостаткам схемы относится факт: падение напряжение на p-n-переходе удваивается. В любой момент времени ток проходит через пару диодов, а не один, как в случае однополупериодного выпрямителя. При большом вольтаже потерями возможно пренебречь, чтобы схема не сгорела, её снабжают большими изрезанными металлическими радиаторами. Автомобилисты уже поняли, о чем речь, простым смертным заметим, что для бытовой техники это не всегда справедливо (радиатор отсутствует). Причина не в мощности в цепи легковой машины. Скорее, при постоянном напряжении 12 В бортовой сети высоким оказывается ток, указанный факт приводит к столь сильному выделению тепла.

Поясним. По закону Джоуля-Ленца теплота от протекания электрического тока пропорциональна квадрату величины тока. В низковольтных цепях по этой причине приходится медные провода делать толстыми. Это причина, почему промышленное напряжение выше 12 В. В силовых линиях идут киловольты, что помогает снизить сечение кабелей и сэкономить на материалах. Для преобразования между линиями служит трансформатор, он, как правило, стоит на входе любого бытового прибора.

Это нужно, чтобы быстро создать номиналы напряжений, близкие к требуемым. Особенно ярко утверждение прослеживается на примере телевизоров с электронно-лучевой трубкой. Трансформатор на входе несёт множество выходных обмоток по числу цепей. Остаётся только выпрямить ток при необходимости, что позволяет снизить сложность аппаратуры. Для этого после выходной обмотки трансформатора ставится диодный мост Гретца (речь идёт об однофазных сетях 220 В).

В современных импульсных блоках питания по-другому. Диодный мост ставится прямо после входного фильтра, потом выпрямленное напряжение нарезается на тиристорном (транзисторном) ключе на высокочастотные импульсы, подаваемые на трансформатор. Это позволяет многократно уменьшить размеры сердечника и обмоток. Посмотрите на адаптер для сотового телефона: внутри стоит импульсный трансформатор. По размеру не сравнить с блоком питания телевизора. Порекомендуем обратить внимание на системный блок персонального компьютера, где источник выдаёт не менее 350 Вт. Этого хватит для телевизора с электронно-лучевой трубкой.

После импульсного трансформатора снова стоит выпрямитель. Иногда это диодный мост на базе диодов Шоттки с низким падением напряжения на p-n-переходе. Вспомним о перечисленных ранее недостатках. Для низких выходных напряжений импульсного блока питания применение диодных мостов невыгодно, удваивается количество вентилей. В результате потери выше, что закономерно снижает КПД. Дополнительным фактором считается выделение тепла: при низких напряжениях приходится использовать радиаторы при большом сопротивлении p-n-перехода.

Сопротивление p-n-перехода

Диодные мосты Гретца де-факто являются доминирующими сегодня в бытовых приборах. Сделаем маленькое отступление по поводу сопротивления p-n-перехода.

Как известно, характеристика диода напоминает в положительной части оси абсцисс параболу. Неважна форма, важен факт, что в любой точке графика становится возможным найти сопротивление. Потребуется просто поделить напряжение на ток. Получается, сопротивление диода зависит от приложенного вольтажа и в типичном случае постоянно меняется. Найдём аналогично действующему значению напряжения (220 В) среднюю цифру и для этого параметра. От неё зависят потери. Чем сопротивление p-n-перехода ниже, тем лучше. Поэтому выгодно использовать диоды Шоттки.

Однофазные выпрямители по схеме Миткевича

Схема не смотрится мостом, за исключением отдельных черт сходства. Из рисунка видно, что нагрузка словно закорачивает ветви обмотки трансформатора и диодов. Это уже натяжка. Так любую цепь можно назвать мостом. В любой момент времени у схемы Миткевича работает половина конструкции. Вторая заперта.

Аналогичное говорится про диодный мост Гретца, но здесь утверждение распространяется на обмотку трансформатора, чего нельзя отметить в предыдущем случае.

Трёхфазные выпрямители

Выпрямитель Ларионова (см. рисунок) мостом не считается, хотя так его упорно называют водители. Известны две разновидности конструкции, по терминологии трёхфазных линий называемые звезда и треугольник. Автомобилисты чаще контактируют с первым вариантом, где напряжением чуть выше, а потери меньше. Это обусловлено соображениями экономичности.

Параллельная и последовательная схемы

Выпрямители Миткевича и Ларионова

Известна схема, дающая упомянутой сто очков форы. Это истинный диодный мост, параллельное либо последовательное соединение трёх полных диодных мостов.

• Как проверить мультиметром диод
• Выпрямитель напряжения
• Почему стиральная машина не включается

[…] Мы видим, что преобразователь напряжения не может быть построен напрямую без трансформатора. Однако если отклоняться от строго определения, то можно решить самые разнообразные задачи. Любой мультивибратор в своём составе содержит цепочку RC, что когда-то и применил Тесла. Для получения напряжения нужно полярности применяется должным образом выполненное включение диодов и фильтрующих конденсаторов. Выпрямитель может быть и мостовым (см. Диодный мост). […]

Источник