Простой выпрямитель: Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы | Техника и Программы

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы | Техника и Программы

   Источники питания были и остаются важнейшей и незаменимой составляющей любой радиоэлектронной схемы. Для обеспечения схем необходимыми напряжениями используют либо автономные источники питания — батареи, аккумуляторы, либо, при питании радиоаппаратуры от сети переменного тока, — сетевые источники. Для того, чтобы понизить напряжение сети с 220 В до приемлемых для питания транзисторных схем значений и обеспечить надежную защиту пользователя от поражения электрическим током, используют понижающий трансформатор (рис. 35.1, 35.16). В исключительно редких случаях используют бестрансформаторные питающие устройства, однако в этом случае все управляющие элементы устройства (ручки, выключатели и пр.) и корпус должны быть надежно изолированы от сети. При пользовании такими устройствами необходимо строжайшее соблюдение правил техники безопасности!

   Ниже будут рассмотрены основные варианты схем питания радиоэлектронной аппаратуры.

   

   Рис. 35.1

   Простейший выпрямитель — преобразователь переменного тока в постоянный — показан на рис. 35.1, 35.6. К вторичной (понижающей) обмотке трансформатора подключен один полупроводниковый диод VD1. Этот диод пропускает только одну полуволну переменного напряжения (однополупериодное выпрямление), поэтому для сглаживания пульсаций тока на выходе выпрямителя необходимо включать электролитический конденсатор С1 большой емкости. Параллельно ему подключается сопротивление нагрузки. Недостатки такого выпрямителя очевидны: повышенные пульсации выпрямленного напряжения, невысокий КПД. Величина пульсаций будет тем выше, чем меньше емкость сглаживающего пульсации напряжения конденсатора С1 и чем меньше величина сопротивления нагрузки. Величина выходного напряжения такого выпрямителя при работе без нагрузки составляет 1 ,41xUab.

   На рис. 35.2 показана схема простейшего выпрямителя — формирователя двуполярного выходного напряжения. Коэффициент полезного действия такого выпрямителя выше, а все приводимые ранее рассуждения полностью распространяются и на эту схему.

   

   Рис. 35.2

   

   Рис. 35.3

   Мостовая схема выпрямителя содержит четыре диода и представлена на рис. 35.3. Такая схема подключается к источнику переменного тока, например, к точкам А и В разделительного трансформатора (рис. 35.1). Выпрямитель имеет более высокий КПД, токи в ветвях моста распределяются равномерно. Недостатком схемы являются удвоенные потери на последовательно включенных диодах выпрямителя (за счет «прямого» напряжения). Выходное напряжение мостовой схемы выпрямителя при работе без нагрузки также составляет 1,41 xUAB.

   Для выпрямления и умножения выходного напряжения применяют схемы, показанные на рис. 35.4 и 35.5. Часто подобные схемы используют в преобразователях напряжения, в том числе бестрансформаторных, а также в схемах получения высокого напряжения (до десятков киловольт) в телевизионных приемниках, озонаторах, уловителях пыли.

   

   Рис. 35.4

   

   Рис. 35.5

   

   Рис. 35.6

   В большинстве случаев выпрямленное напряжение надлежит тщательным образом отфильтровать от пульсаций сети переменного тока. При плохой фильтрации в динамиках будет слышна не радующая душу музыка или речь, а низкочастотный гул или рокот, так называемый «фон» переменного тока. Чем выше качество питающего напряжения, тем лучше будет работать радиоаппаратура. Нефильтрованное питание допустимо использовать лишь для электродвигателей постоянного тока, осветительных и нагревательных приборов.

   Для сглаживания выходного напряжения выпрямителей предназначены LC- и RC-фильтры. Простейший из них (L=0, R=0) — емкостный — показан на рис. 35.1 и 35.6. Схема эта, действительно, крайне проста. Однако увеличивать до бесконечности емкость фильтрующего конденсатора невозможно: растут габариты и стоимость конденсатора, снижается надежность устройства в целом. Существует опасность того, что в момент включения устройства в сеть произойдет повреждение диода VD1 либо обмотки трансформатора: ведь незаряженный конденсатор представляет в момент включения короткозамкнутыи элемент. Через обмотку трансформатора и диод в этот момент протекает ток короткого замыкания, многократно превышающий допустимые значения и вызывающий их повреждение.

   

   Рис. 35.7

   

   Рис. 35.8

   

   Рис. 35.9

   Для уменьшения переменной составляющей на выходе выпрямителя используют индуктивные (дроссельные) и резистив-но-емкостные Г- и П-образные фильтры (рис. 35.7 — 35.9), а также их последовательное соединение. Напомним, если активное сопротивление (резистор) представляет собой одинаковое сопротивление как для постоянного, так и для переменного тока, то конденсатор для постоянного тока является разрывом цепи, а для переменного тока, в идеале, служит коротким замыканием (см. также главу 3). В свою очередь, индуктивность (дроссель), также в идеале, представляет собой бесконечно малое сопротивление постоянному току и бесконечно большое сопротивление переменному току. Следовательно, использование в качестве элемента фильтра дросселей вместо резисторов предпочтительнее. Однако дроссели имеют значительные габариты, массу и цену, являются более дефицитными и менее надежными элементами по сравнению с обычными резисторами.

   В радиоаппаратуре используют и транзисторные фильтры (рис. 35.10). Радиолюбителю предлагается самостоятельно испытать и сравнить различные виды выпрямителей и фильтров при разных параметрах входящих в них элементов. Для контроля «качества» выходного напряжения может быть использован УНЧ или осциллограф, на вход которых через разделительный конденсатор подается выпрямленное напряжение. Питание усилитель должен получать от батарей (аккумулятора) либо от иного источника питания с хорошей фильтрацией выходного напряжения. В качестве простейшего тестера качества фильтрации можно использовать и телефонный капсюль, также подключаемый к выходу выпрямителя или фильтра через разделительный конденсатор.

   

   Рис. 35.10

   

   Рис. 35.11

   

   Рис. 35.12

   Далее будут рассмотрены простые стабилизаторы тока (рис. 35.11 — 35.15) и напряжения (рис. 35.16 — 35.20). Схемы стабилизации тока зачастую используют в генераторах импульсов для заряда постоянным током времязадающих конденсаторов, а также в измерительной технике, например, при измерении сопротивлений. На рис. 35.11 и 35.12 показаны схемы стабилизаторов тока [МК 5/86-XVI], При увеличении напряжения на таком двухполюснике (рис. 35.11) происходит самоограничение тока через него. Величину резисторов R1 и R2 можно определить как:

   

   

   Рис. 35.13

   На рис. 35.12 и 35.13 представлены другие схемы ограничения и стабилизации тока. При возрастании тока через датчик тока R2 (рис. 35.12) или R1 и включенный ему параллельно потенциометр R3 (рис. 35.13) [F 1/76-21] уменьшается смещение на базе транзистора VT2 (рис. 35.12) или VT1 (рис. 35.13), соответственно. Транзисторы плавно, пропорционально протекающему через резисторы току, запираются, и ток стабилизируется. В определенных пределах ток ограничения (рис. 35.13) плавно регулируется потенциометром R3.

   На рис. 35.14 показана схема стабилизатора тока на основе полевого транзистора. При увеличении тока через резистор R1 меняется смещение на управляющем (3 — И) переходе транзистора, он плавно запирается, ограничивая ток нагрузки.

   Стабилизатор тока на основе микросхемы, в состав которой входит несколько десятков элементов (рис. 35.15), может обеспечить широкий диапазон токов нагрузки [Дж. Уитсон]. Популярная микросхема стабилизатора напряжения может стабилизировать еще и ток. Величина стабилизируемого тока в нагрузке рассчиты вается следующим образом: lH=(UBb|X/R1)+10 мА, где lH — в мА 11вых — в В; R1 — в кОм.

   

   Рис. 35.14

   

   Рис. 35.15

   

   Рис. 35.16

   На рис. 35.16 представлена схема несложного стабилизированного источника питания. Он содержит понижающий трансформатор, мостовой выпрямитель, конденсаторный фильтр и полупроводниковый стабилизатор напряжения. Схема стабилизатора напряжения позволяет плавно регулировать выходное напряжение в пределах от 0 до 12 В и защищена от коротких замыканий на выходе. Для питания низковольтного паяльника, а также для экспериментов с переменным электрическим током предусмотрена дополнительная обмотка трансформатора. Имеется индикация постоянного напряжения (светодиод HL2) и переменного (светодиод HL1). Для включения всего устройства используется тумблер SA1, а паяльника — SA2. Нагрузку отключает SA3. Для защиты цепей переменного тока от перегрузок предусмотрены предохранители FU1 и FU2. На ручке регулятора выходного напряжения (потенциометр R4) нанесены значения выходных напряжений.

   

   Рис. 35.17

   

   Рис. 35.18

   

   Рис. 35.19

   На рис. 35.17 показан фрагмент схемы модифицированного стабилизатора (рис. 35.16) с индикацией короткого замыкания в нагрузке. В нормальном режиме светится зеленый светодиод, при замыкании нагрузки — красный.

   

   Рис. 35.20

   Очень простой и высококачественный стабилизатор на специализированной микросхеме серии К142ЕН изображен на рис. 35.18. Транзисторные стабилизаторы показаны на рис. 35.19 и 35.20 [Р 4/81-61]. При значительных токах нагрузки транзистор VT4 (рис. 35.20) следует закрепить на теплоотводящей пластине из цветного металла.

   

Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Схемы выпрямителей

Добавлено 4 марта 2017 в 15:10

Сохранить или поделиться

Теперь мы подошли к наиболее популярному применению диода: выпрямлению. Упрощенно, выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное. Оно включает в себя устройство, которое позволяет протекать электронам только в одном направлении. Как мы уже видели, это именно то, что и делает полупроводниковый диод. Простейшим выпрямителем является однополупериодный выпрямитель. Он пропускает через себя на нагрузку только половину синусоиды сигнала переменного напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителяСхема однополупериодного выпрямителя

Однополупериодный выпрямитель не удовлетворяет требований большинства источников питания. Содержание гармоник в выходном сигнале выпрямителя слишком велико, и, следовательно, их трудно отфильтровать. Кроме того питающий источник переменного напряжения подает питание на нагрузку во время только одной половины каждого полного периода, а это означает, что половина его возможностей не используется. Тем не менее, однополупериодный выпрямитель является очень простым способом уменьшения мощности, подводимой к активной нагрузке. Переключатели некоторых двухпозиционных ламповых диммеров подают напрямую полное переменное напряжение на лампу накаливания для «полной» яркости или через однополупериодный выпрямитель для уменьшения яркости (рисунок ниже).

Использование однополупериодного выпрямителя: двухпозиционный ламповый диммерИспользование однополупериодного выпрямителя: двухпозиционный ламповый диммер

В положении переключателя "Тускло" лампа накаливания получает примерно половину мощности, которую она бы получала при работе с полным периодом переменного напряжения. Поскольку питание после однополупериодного выпрямителя пульсирует гораздо быстрее, чем нить накала успевает нагреться и охладиться, лампа не мигает. Вместо этого, нить накала просто работает на меньшей, чем обычно, температуре, обеспечивая менее яркий свет. Эта идея быстроты «пульсирования» питания по сравнению с медленно реагирующей нагрузкой широко используется в мире промышленной электроники для управления электроэнергией, подаваемой на нагрузку. Так как управляющее устройство (в данном случае, диод) в любой момент времени либо полностью проводит, либо полностью не проводит ток, то оно рассеивает мало тепловой энергии, контролируя при этом мощность нагрузки, что делает этот метод управления питанием очень энергоэффективным. Эта схема, возможно, является самым грубым способом подачи пульсирующего питания на нагрузку, но она достаточна в качестве применения, доказывающего правильность идеи.

Если нам нужно выпрямить питание переменным напряжением, чтобы получить полное использование обоих полупериодов синусоидального сигнала, то необходимо использовать другие схемы выпрямителей. Такие схемы называются двухполупериодными выпрямителями. Один из типов двухполупериодных выпрямителей, называемый выпрямителем

со средней точкой, использует трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке и два диода, как показано на рисунке ниже.

Двухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкойДвухполупериодный выпрямитель, схема со средней точкой

Понять работу данной схемы довольно легко, рассмотрев ее в разные половины периода синусоидального сигнала. Рассмотрим первую половину периода, когда полярность напряжения источника положительна (+) наверху и отрицательна внизу. В это время ток проводит только верхний диод, нижний диод блокирует протекание тока, а нагрузка "видит" первую половину синусоиды, положительную наверху и отрицательную внизу. Во время первой половины периода ток протекает только через верхнюю половину вторичной обмотки трансформатора (рисунок ниже).

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительной полуволны на входе, доставляя положительную полуволну на нагрузкуДвухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Верхняя половина вторичной обмотки проводит ток во время положительной полуволны на входе, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

В течение следующего полупериода полярность переменного напряжения меняется на противоположную. Теперь другой диод и другая половина вторичной обмотки трансформатора проводят ток, а часть схемы, проводившая ток во время предыдущего полупериода, находится в ожидании. Нагрузка по-прежнему "видит" половину синусоиды, той же полярности, что и раньше: положнительная сверху и отрицательная снизу (рисунок ниже).

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Во время отрицательной полуволны на входе ток проводит нижняя половина вторичной обмотки, доставляя положительную полуволну на нагрузкуДвухполупериодный выпрямитель со средней точкой: Во время отрицательной полуволны на входе ток проводит нижняя половина вторичной обмотки, доставляя положительную полуволну на нагрузку (стрелками показано направление движения потока электронов)

Одним из недостатков этой схемы двухполупериодного выпрямителя является необходимость трансформатора со средней точкой во вторичной обмотке. Особенно сильно этот недостаток проявляется, если для схемы имеют значение высокая выходная мощность; размер и стоимость подходящего трансформатора становятся одними из определяющих факторов. Следовательно, схема выпрямителя со средней точкой используется только в приложениях с низким энергопотреблением.

Полярность на нагрузке двухполупериодного выпрямителя со средней точкой может быть изменена путем изменения направления диодов. Кроме того, перевернутые диоды могут подключены параллельно с существующим выпрямителем с положительным выходом. В результате получится двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, показанный на рисунке ниже. Обратите внимание, что соединение диодов между собой аналогично схеме моста.

Двуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкойДвуполярный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Существует еще одна популярная схема двухполупериодного выпрямителя, она построена на базе схемы четырехдиодного моста. По очевыдным причинам эта схема называется двухполупериодным мостовым выпрямителем.

Двухполупериодный мостовой выпрямительДвухполупериодный мостовой выпрямитель

Направления потоков электронов в двухполупериодном мостовом выпрямителе показано на рисунках ниже для положительной и отрицательной полуволн синусоиды переменного напряжения источника. Обратите внимание, что независимо от полярности на входе, ток через нагрузку протекает в одном и том же направлении. То есть, отрицательная полуволна на источнике соответствует положительной полуволне на нагрузке. Ток протекает через два диода, соединенных последовательно для обеих полярностей. Таким образом, из-за падения напряжения на двух диодах теряется (0.7 x 2 = 1.4В для кремниевых диодов). Это является недостатком по сравнению с двухполупериодным выпрямителем со средней точкой. Этот недостаток является проблемой только для очень низковольтных источников питания.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодовДвухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для положительных полупериодовДвухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для отрицательных полупериодовДвухполупериодный мостовой выпрямитель. Поток электронов для отрицательных полупериодов

Запоминание правильного соединения диодов схемы мостового выпрямителя иногда может вызвать проблемы у новичка. Альтернативное представление этой схемы может облегчить запоминание и понимание. Это точно такая же схема, за исключением того, что все диоды нарисованы в горизонтальном положении и указывают в одном направлении (рисунок ниже).

Альтернативное представление схемы двухполупериодного мостового выпрямителяАльтернативное представление схемы двухполупериодного мостового выпрямителя

Одним из преимуществ такого представления схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии (рисунок ниже).

Схема трехфазного мостового выпрямителяСхема трехфазного мостового выпрямителя

Линия каждой из фаз подключается между парой диодов: один ведет к положительному (+) выводу нагрузки, а второй – к отрицательному. Многофазные системы с количеством фаз, более трех, так же могут быть легко использованы в схеме мостового выпрямителя. Возьмем, например, схему шестифазного мостового выпрямителя (рисунок ниже).

Схема шестифазного мостового выпрямителяСхема шестифазного мостового выпрямителя

При выпрямлении многофазного переменного напряжения сдвинутые по фазе импульсы накладываются друг на друга создавая выходное постоянное напряжение, которое более "гладкое" (имеет меньше переменных составляющих), чем при выпрямлении однофазного переменного напряжения. Это преимущество является решающим в схемах выпрямителей высокой мощности, где физический размер фильтрующих компонентов будет чрезмерно большим, но при этом необходимо получить постоянное напряжение с низким уровнем шумов. Диаграмма на рисунке ниже показывает двухполупериодное выпрямление трехфазного напряжения.

Трехфазное переменное напряжение и выходное напряжение трехфазного двухполупериодного выпрямителяТрехфазное переменное напряжение и выходное напряжение трехфазного двухполупериодного выпрямителя

В любом случае выпрямления (однофазном или многофазном) количество переменного напряжения, смешанного с выходным постоянным напряжением выпрямителя, называется напряжением пульсаций. В большинстве случаев напряжение пульсаций нежелательно, так как целью выпрямления является "чистое" постоянное напряжение. Если уровни мощности не слишком велики, для уменьшения пульсаций в выходном напряжении могут быть использованы схемы фильтрации.

Иногда метод выпрямления классифицируется путем подсчета количества "импульсов" постоянного напряжения на выходе каждые 360° синусоиды входного напряжения. Однофазная однополупериодная схема выпрямителя тогда будет называться 1-импульсным выпрямителем, поскольку он дает один импульс во время полного периода (360°) сигнала переменного напряжения. Однофазный двухполупериодный выпрямитель (независимо от схемы, со средней точкой или мостовой) будет называться 2-импульсным выпрямителем, поскольку он выдает 2 импульса постоянного напряжения за один период переменного напряжения. Трехфазный двухполупериодный выпрямитель будет называться 6-импульсным.

Современное соглашение в электротехнике описывает работу схемы выпрямителя с помощью трехпозиционной записи фаз, путей и количества импульсов. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя в данном зашифрованном обозначении будет следующей 1Ph2W1P (1 фаза, 1 путь, 1 импульс), а это означает, что питающее переменное напряжение однофазно, ток каждой фазы источника переменного напряжения протекает только в одном направлении (пути), и, что в постоянном напряжении создается один импульс каждые 360° входной синусоиды. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой в этой системе записи будет обозначаться, как 1Ph2W2P: 1 фаза, 1 путь или направление протекания тока в каждой половине обмотки, и 2 импульса в выходном напряжении за период. Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель будет обозначаться, как 1Ph3W2P: так же, как и схема со средней точкой, за исключением того, что ток может протекать двумя путями через линии переменного напряжения, вместо только одного пути. Трехфазный мостовой выпрямитель, показанный ранее, будет называться выпрямителем 3Ph3W6P.

Вожможно ли получить количество импульсов больше, чем удвоенное количество фаз в схеме выпрямителя? Ответ на этот вопрос, да: особенно в многофазных цепях. При помощи творческого использования трансформаторов наборы двухполупериодных выпрямителей могут быть соединены параллельно таким образом, что на выходе для трехфазного переменного напряжения может быть получено более шести импульсов постоянного напряжения. Когда схемы соединения обмоток трансформатора не одинаковы, из первичной во вторичную цепь трехфазного трансформатора вводится 30° фазовый сдвиг. Другими словами, трансформатор подключенный по схеме либо Y-Δ, либо Δ-Y будет давать сдвиг фазы на 30°; в то время, как подкючение трансформатора по схеме Y-Y или Δ-Δ такого эффекта не даст. Это явление может быть использовано при наличии одного трансформатора, подключенного по схеме Y-Y к одному мостовому выпрямителю, и другого трансформатора, подключенного по схеме Y-Δ к другому мостовому выпрямителю, а затем параллельном соединению выходов постоянного напряжения обоих выпрямителей (рисунок ниже). Поскольку формы напряжений пульсаций на выходах двух выпрямителей смещены по фазе на 30° относительно друг друга, в результате сложения они дадут меньшие пульсации, чем каждый выпрямитель по отдельности: 12 импульсов каждые 360° вместо шести:

Схема многофазного выпрямителя: 3 фазы, 2 пути, 12 импульсов (3Ph3W12P)Схема многофазного выпрямителя: 3 фазы, 2 пути, 12 импульсов (3Ph3W12P)

Подведем итоги

  • Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
  • Однополупериодный выпрямитель – это схема, которая позволяет только одной половине синусоиды переменного напряжения достичь нагрузки, давая на ней в результате неизменяющуюся полярность. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, значительно "пульсирует".
  • Двухполупериодный выпрямитель – это схема, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одной полярности. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, "пульсирует" не так сильно.
  • Многофазное переменное напряжении при выпрямлении дает более "гладкую" форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.

Оригинал статьи:

Теги

ВыпрямительДиодИсточник питанияОбучениеЭлектроника

Сохранить или поделиться

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Источники питания были и остаются важнейшей и незаменимой составляющей любой радиоэлектронной схемы. Для обеспечения схем необходимыми напряжениями используют либо автономные источники питания — батареи, аккумуляторы, либо, при питании радиоаппаратуры от сети переменного тока, — сетевые источники. Для того, чтобы понизить напряжение сети с 220 В до приемлемых для питания транзисторных схем значений и обеспечить надежную защиту пользователя от поражения электрическим током, используют понижающий трансформатор (рис. 35.1, 35.16). В исключительно редких случаях используют бестрансформаторные питающие устройства, однако в этом случае все управляющие элементы устройства (ручки, выключатели и пр.) и корпус должны быть надежно изолированы от сети. При пользовании такими устройствами необходимо строжайшее соблюдение правил техники безопасности!

Ниже будут рассмотрены основные варианты схем питания радиоэлектронной аппаратуры.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.1

Простейший выпрямитель — преобразователь переменного тока в постоянный — показан на рис. 35.1, 35.6. К вторичной (понижающей) обмотке трансформатора подключен один полупроводниковый диод VD1. Этот диод пропускает только одну полуволну переменного напряжения (однополупериодное выпрямление), поэтому для сглаживания пульсаций тока на выходе выпрямителя необходимо включать электролитический конденсатор С1 большой емкости. Параллельно ему подключается сопротивление нагрузки. Недостатки такого выпрямителя очевидны: повышенные пульсации выпрямленного напряжения, невысокий КПД. Величина пульсаций будет тем выше, чем меньше емкость сглаживающего пульсации напряжения конденсатора С1 и чем меньше величина сопротивления нагрузки. Величина выходного напряжения такого выпрямителя при работе без нагрузки составляет 1 ,41xUab.

На рис. 35.2 показана схема простейшего выпрямителя — формирователя двуполярного выходного напряжения. Коэффициент полезного действия такого выпрямителя выше, а все приводимые ранее рассуждения полностью распространяются и на эту схему.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.2

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.3

Мостовая схема выпрямителя содержит четыре диода и представлена на рис. 35.3. Такая схема подключается к источнику переменного тока, например, к точкам А и В разделительного трансформатора (рис. 35.1). Выпрямитель имеет более высокий КПД, токи в ветвях моста распределяются равномерно. Недостатком схемы являются удвоенные потери на последовательно включенных диодах выпрямителя (за счет «прямого» напряжения). Выходное напряжение мостовой схемы выпрямителя при работе без нагрузки также составляет 1,41 xUAB.

Для выпрямления и умножения выходного напряжения применяют схемы, показанные на рис. 35.4 и 35.5. Часто подобные схемы используют в преобразователях напряжения, в том числе бестрансформаторных, а также в схемах получения высокого напряжения (до десятков киловольт) в телевизионных приемниках, озонаторах, уловителях пыли.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.4

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.5

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.6

В большинстве случаев выпрямленное напряжение надлежит тщательным образом отфильтровать от пульсаций сети переменного тока. При плохой фильтрации в динамиках будет слышна не радующая душу музыка или речь, а низкочастотный гул или рокот, так называемый «фон» переменного тока. Чем выше качество питающего напряжения, тем лучше будет работать радиоаппаратура. Нефильтрованное питание допустимо использовать лишь для электродвигателей постоянного тока, осветительных и нагревательных приборов.

Для сглаживания выходного напряжения выпрямителей предназначены LC- и RC-фильтры. Простейший из них (L=0, R=0) — емкостный — показан на рис. 35.1 и 35.6. Схема эта, действительно, крайне проста. Однако увеличивать до бесконечности емкость фильтрующего конденсатора невозможно: растут габариты и стоимость конденсатора, снижается надежность устройства в целом. Существует опасность того, что в момент включения устройства в сеть произойдет повреждение диода VD1 либо обмотки трансформатора: ведь незаряженный конденсатор представляет в момент включения короткозамкнутыи элемент. Через обмотку трансформатора и диод в этот момент протекает ток короткого замыкания, многократно превышающий допустимые значения и вызывающий их повреждение.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.7

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.8

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.9

Для уменьшения переменной составляющей на выходе выпрямителя используют индуктивные (дроссельные) и резистив-но-емкостные Г- и П-образные фильтры (рис. 35.7 — 35.9), а также их последовательное соединение. Напомним, если активное сопротивление (резистор) представляет собой одинаковое сопротивление как для постоянного, так и для переменного тока, то конденсатор для постоянного тока является разрывом цепи, а для переменного тока, в идеале, служит коротким замыканием (см. также главу 3). В свою очередь, индуктивность (дроссель), также в идеале, представляет собой бесконечно малое сопротивление постоянному току и бесконечно большое сопротивление переменному току. Следовательно, использование в качестве элемента фильтра дросселей вместо резисторов предпочтительнее. Однако дроссели имеют значительные габариты, массу и цену, являются более дефицитными и менее надежными элементами по сравнению с обычными резисторами.

В радиоаппаратуре используют и транзисторные фильтры (рис. 35.10). Радиолюбителю предлагается самостоятельно испытать и сравнить различные виды выпрямителей и фильтров при разных параметрах входящих в них элементов. Для контроля «качества» выходного напряжения может быть использован УНЧ или осциллограф, на вход которых через разделительный конденсатор подается выпрямленное напряжение. Питание усилитель должен получать от батарей (аккумулятора) либо от иного источника питания с хорошей фильтрацией выходного напряжения. В качестве простейшего тестера качества фильтрации можно использовать и телефонный капсюль, также подключаемый к выходу выпрямителя или фильтра через разделительный конденсатор.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.10

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.11

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.12

Далее будут рассмотрены простые стабилизаторы тока (рис. 35.11 — 35.15) и напряжения (рис. 35.16 — 35.20). Схемы стабилизации тока зачастую используют в генераторах импульсов для заряда постоянным током времязадающих конденсаторов, а также в измерительной технике, например, при измерении сопротивлений. На рис. 35.11 и 35.12 показаны схемы стабилизаторов тока [МК 5/86-XVI], При увеличении напряжения на таком двухполюснике (рис. 35.11) происходит самоограничение тока через него. Величину резисторов R1 и R2 можно определить как:

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.13

На рис. 35.12 и 35.13 представлены другие схемы ограничения и стабилизации тока. При возрастании тока через датчик тока R2 (рис. 35.12) или R1 и включенный ему параллельно потенциометр R3 (рис. 35.13) [F 1/76-21] уменьшается смещение на базе транзистора VT2 (рис. 35.12) или VT1 (рис. 35.13), соответственно. Транзисторы плавно, пропорционально протекающему через резисторы току, запираются, и ток стабилизируется. В определенных пределах ток ограничения (рис. 35.13) плавно регулируется потенциометром R3.

На рис. 35.14 показана схема стабилизатора тока на основе полевого транзистора. При увеличении тока через резистор R1 меняется смещение на управляющем (3 — И) переходе транзистора, он плавно запирается, ограничивая ток нагрузки.

Стабилизатор тока на основе микросхемы, в состав которой входит несколько десятков элементов (рис. 35.15), может обеспечить широкий диапазон токов нагрузки [Дж. Уитсон]. Популярная микросхема стабилизатора напряжения может стабилизировать еще и ток. Величина стабилизируемого тока в нагрузке рассчиты вается следующим образом: lH=(UBb|X/R1)+10 мА, где lH — в мА 11вых — в В; R1 — в кОм.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.14

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.15

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.16

На рис. 35.16 представлена схема несложного стабилизированного источника питания. Он содержит понижающий трансформатор, мостовой выпрямитель, конденсаторный фильтр и полупроводниковый стабилизатор напряжения. Схема стабилизатора напряжения позволяет плавно регулировать выходное напряжение в пределах от 0 до 12 В и защищена от коротких замыканий на выходе. Для питания низковольтного паяльника, а также для экспериментов с переменным электрическим током предусмотрена дополнительная обмотка трансформатора. Имеется индикация постоянного напряжения (светодиод HL2) и переменного (светодиод HL1). Для включения всего устройства используется тумблер SA1, а паяльника — SA2. Нагрузку отключает SA3. Для защиты цепей переменного тока от перегрузок предусмотрены предохранители FU1 и FU2. На ручке регулятора выходного напряжения (потенциометр R4) нанесены значения выходных напряжений.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.17

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.18

 

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.19

На рис. 35.17 показан фрагмент схемы модифицированного стабилизатора (рис. 35.16) с индикацией короткого замыкания в нагрузке. В нормальном режиме светится зеленый светодиод, при замыкании нагрузки — красный.

Простые выпрямители, фильтры, стабилизаторы

Рис. 35.20

Очень простой и высококачественный стабилизатор на специализированной микросхеме серии К142ЕН изображен на рис. 35.18. Транзисторные стабилизаторы показаны на рис. 35.19 и 35.20 [Р 4/81-61]. При значительных токах нагрузки транзистор VT4 (рис. 35.20) следует закрепить на теплоотводящей пластине из цветного металла.


Литература: Шустов М.А. Практическая схемотехника (Книга 1), 2003 год

Устройство и работа выпрямительного диода. Диодный мост

Здравствуйте уважаемые читатели сайта sesaga.ru. Продолжаем знакомиться с полупроводниковыми диодами. В предыдущей части статьи мы с Вами разобрались с принципом работы диода, рассмотрели его вольт-амперную характеристику и выяснили, что такое пробой p-n перехода.
В этой части мы рассмотрим устройство и работу выпрямительных диодов.

Внешний вид выпрямительных диодов

Выпрямительный диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный. Однако, это далеко не полная область применения выпрямительных диодов: они широко используются в цепях управления и коммутации, в схемах умножения напряжения, во всех сильноточных цепях, где не предъявляется жестких требований к временным и частотным параметрам электрического сигнала.

Общие характеристики выпрямительных диодов.

В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды разделяются на диоды малой, средней и большой мощности:

малой мощности рассчитаны для выпрямления прямого тока до 300mA;
средней мощности – от 300mA до 10А;
большой мощности — более 10А.

По типу применяемого материала они делятся на германиевые и кремниевые, но, на сегодняшний день наибольшее применение получили кремниевые выпрямительные диоды ввиду своих физических свойств.

Кремниевые диоды, по сравнению с германиевыми, имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, что позволяет получать диоды с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения, которое может достигать 1000 – 1500В, тогда как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 – 400В.

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +(125 — 150)º С, а германиевых – лишь от -60 до +(70 – 85)º С. Это связано с тем, что при температурах выше 85º С образование электронно-дырочных пар становится столь значительным, что происходит резкое увеличение обратного тока и эффективность работы выпрямителя падает.

Технология изготовления и конструкция выпрямительных диодов.

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными.

Технология изготовления таких диодов заключается в следующем:
на поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе.
Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором. Пример выпрямительных диодов германиевого (малой мощности) и кремниевого (средней мощности) показан на рисунке ниже.

Устройство выпрямительных диодов

Кристаллы кремния или германия (3) с p-n переходом (4) припаиваются к кристаллодержателю (2), являющемуся одновременно основанием корпуса. К кристаллодержателю приваривается корпус (7) со стеклянным изолятором (6), через который проходит вывод одного из электродов (5).

Маломощные диоды, обладающие относительно малыми габаритами и весом, имеют гибкие выводы (1) с помощью которых они монтируются в схемах.
У диодов средней мощности и мощных, рассчитанных на значительные токи, выводы (1) значительно мощнее. Нижняя часть таких диодов представляет собой массивное теплоотводящее основание с винтом и плоской внешней поверхностью, предназначенное для обеспечения надежного теплового контакта с внешним теплоотводом (радиатором).

Электрические параметры выпрямительных диодов.

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
Рабочая частота, кГц;
Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде.

Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:

Схема выпрямителя с одним диодом

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).

При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.

Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.

Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости.

Выпрямитель с фильтрующим конденсатором

Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор () во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке () будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.
В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Диодный мост.

Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус.

Внешний вид сборок диодных мостов

Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «» или «~», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.

Диодный мост из диодов

Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово.

На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста.
Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения.

Условное обозначение диодного моста

Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Прохождение тока через диодный мост

Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку , диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4 в этот момент закрыты и через них ток не идет.

В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем (по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку , диод VD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диоды VD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.

В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.

И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:

1. Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;
2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;
3. Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.

А если такой выпрямитель дополнить фильтрующим электролитическим конденсатором, то им уже смело можно запитывать радиолюбительскую конструкцию.

Ну вот, мы с Вами практически и закончили изучать диоды. Конечно, в этих статьях дано далеко не все, а только основные понятия, но этих знаний Вам уже будет достаточно, чтобы собрать свою радиолюбительскую конструкцию для дома, в которой используются полупроводниковые диоды.

А в качестве дополнительной информации посмотрите видеоролик, в котором рассказывается, как проверить диодный мост мультиметром.

Удачи!

Источник:

1. Борисов В.Г — Юный радиолюбитель. 1985г.
2. Горюнов Н.Н., Носов Ю.Р — Полупроводниковые диоды. Параметры, методы измерений. 1968г.
3. Пасынков В.В., Чиркин Л.К — Полупроводниковые приборы: Учеб. для вузов по спец. «Полупроводники и диэлектрики» и «Полупроводниковые и микроэлектронные приборы» — 4-е изд. перераб. и доп. 1987г.

Выпрямители с тиристорным регулятором напряжения.

 

При разработке регулируемого источника питания без высокочастотного преобразователя разработчик сталкивается с такой проблемой, что при минимальном выходном напряжении и большом токе нагрузки на регулирующем элементе стабилизатор рассеивается большая мощность. До настоящего времени в большинстве случаев эту проблему решали так: делали несколько отводов у вторичной обмотки силового трансформатора и разбивали весь диапазон регулировки выходного напряжения на несколько поддиапазонов. Такой принцип использован во многих серийных источниках питания, например, УИП-2 и более современных. Понятно, что использование источника питания с несколькими поддиапазонами усложняется, усложняется также дистанционное управление таким источником питания, например, от ЭВМ.

Выходом мне показалось использование управляемого выпрямителя на тиристоре т. к. появляется возможность создания источника питания, управляемого одной ручкой установки выходного напряжения или одним управляющим сигналом с диапазоном регулировки выходного напряжения от нуля (или почти от нуля) до максимального значения. Такой источник питания можно будет изготовить из готовых деталей, имеющихся в продаже.

К настоящему моменту управляемые выпрямители с тиристорами описаны и весьма подробно в книгах по источникам питания, но практически в лабораторных источниках питания применяются редко. В любительских конструкциях они также редко встречаются (кроме, конечно, зарядных устройств для автомобильных аккумуляторов). Надеюсь, что настоящая работа поможет изменить это положение дел.

В принципе, описанные здесь схемы могут быть применены для стабилизации входного напряжения высокочастотного преобразователя, например, как это сделано в телевизорах “Электроника Ц432”. Приведенные здесь схемы могут также быть использованы для изготовления лабораторных источников питания или зарядных устройств.

Описание своих работ я привожу не в том порядке как я их проводил, а более или менее упорядочено. Сначала рассмотрим общие вопросы, затем “низковольтные” конструкции типа источников питания для транзисторных схем или зарядки аккумуляторов и затем “высоковольтные” выпрямители для питания схем на электронных лампах.

Работа тиристорного выпрямителя на емкостную нагрузку

В литературе описано большое количество тиристорных регуляторов мощности, работающих на переменном или пульсирующем токе с активной (например, лампы накаливания) или индуктивной (например, электродвигатель) нагрузкой. Нагрузкой же выпрямителя обычно является фильтр в котором для сглаживания пульсаций применяются конденсаторы, поэтому нагрузка выпрямителя может иметь емкостный характер.

 

Рассмотрим работу выпрямителя с тиристорным регулятором на резистивно-емкостную нагрузку. Схема подобного регулятора приведена на рис. 1.

 

 

 

Рис. 1.

   Здесь для примера показан двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, однако он может быть выполнен и по другой схеме, например, мостовой. Иногда тиристоры кроме регулирования напряжения на нагрузке Uн выполняют также функцию выпрямительных элементов (вентилей), однако такой режим допускается не для всех тиристоров (тиристоры КУ202 с некоторыми литерами допускают работу в качестве вентилей). Для ясности изложения предположим, что тиристоры используются только для регулирования напряжения на нагрузке Uн, а выпрямление производится другими приборами.

 

Принцип работы тиристорного регулятора напряжения поясняет рис. 2. На выходе выпрямителя (точка соединения катодов диодов на рис. 1) получаются импульсы напряжения (нижняя полуволна синусоиды “вывернута” вверх), обозначенные Uвыпр. Частота пульсаций fп на выходе двухполупериодного выпрямителя равна удвоенной частоте сети, т. е. 100Hz при питании от сети 50Hz. Схема  управления подает на управляющий электрод тиристора импульсы тока (или света если применен оптотиристор) с определенной задержкой tз относительно начала периода пульсаций, т. е. того момента, когда напряжение выпрямителя Uвыпр становится равным нулю.

 

 

Рис. 2.

    Рисунок 2 выполнен для случая, когда задержка tз превышает половину периода пульсаций. В этом случае схема работает на падающем участке волны синусоиды. Чем больше задержка момента включения тиристора, тем меньше получится выпрямленное напряжение Uн на нагрузке. Пульсации напряжения на нагрузке Uн сглаживаются конденсатором фильтра Cф. Здесь и далее сделаны некоторые упрощения при рассмотрении работы схем: выходное сопротивление силового трансформатора считается равным нулю, падение напряжения на диодах выпрямителя не учитывается, не учитывается время включения тиристора. При этом получается что подзаряд емкости фильтра Cф происходит как бы мгновенно. В реальности после подачи запускающего импульса на управляющий электрод тиристора заряд конденсатора фильтра занимает некоторое время, которое, однако, обычно намного меньше периода пульсаций Тп.

 Теперь представим, что задержка момента включения тиристора tз равна половине периода пульсаций (см. рис. 3). Тогда тиристор будет включаться, когда напряжение на выходе выпрямителя проходит через максимум.

 

 

 

Рис. 3.

 

    В этом случае напряжение на нагрузке Uн также будет наибольшим, примерно таким же, как если бы тиристорного регулятора в схеме не было (пренебрегаем падением напряжения на открытом тиристоре).

 Здесь мы и сталкиваемся с проблемой. Предположим, что мы хотим регулировать напряжение на нагрузке почти от нуля до наибольшего значения, которое можно получить от имеющегося силового трансформатора. Для этого с учетом сделанных ранее допущения потребуется подавать на тиристор запускающие импульсы ТОЧНО в момент, когда Uвыпр проходит через максимум, т. е. tз=Tп/2. С учетом того, что тиристор открывается не моментально, а подзарядка конденсатора фильтра Cф также требует некоторого времени, запускающий импульс нужно подать несколько РАНЬШЕ половины периода пульсаций, т. е. tз<Tп/2. Проблема в том, что во-первых сложно сказать насколько раньше, т. к. это зависит от таких причин, которые при расчете точно учесть сложно, например, времени включения данного экземпляра тиристора или полного (с учетом индуктивностей) выходного сопротивления силового трансформатора. Во-вторых, даже если произвести расчет и регулировку схемы абсолютно точно, время задержки включения tз, частота сети, а значит, частота и период Tп пульсаций, время включения тиристора и другие параметры со временем могут измениться. Поэтому для того чтобы получить наибольшее напряжение на нагрузке Uн возникает желание включать тиристор намного раньше половины периода пульсаций.

 Предположим, что так мы и поступили, т. е. установили время задержки tз намного меньшее Тп/2. Графики, характеризующие работу схемы в этом случае приведены на рис. 4. Заметим, что если тиристор откроется раньше половины полупериода, он будет оставаться в открытом состоянии пока не закончится процесс заряда конденсатора фильтра Cф (см. первый импульс на рис. 4).

 

 

Рис. 4.

 

    Оказывается, что при малом времени задержки tз возможно возникновение колебаний выходного напряжения регулятора. Они возникают в том случае, если в момент подачи на тиристор запускающего импульса напряжение на нагрузке Uн оказывается больше напряжения на выходе выпрямителя Uвыпр. В этом случае тиристор оказывается под обратным напряжением и не может открыться под действием запускающего импульса. Один или несколько запускающих импульсов могут быть пропущены (см. второй импульс на рис. 4). Следующее включение тиристора произойдет когда конденсатор фильтра разрядится и в момент подачи управляющего импульса тиристор будет находиться под прямым напряжением.

 

Вероятно, наиболее опасным является случай, когда оказывается пропущен каждый второй импульс. В этом случае через обмотку силового трансформатора будет проходить постоянный ток, под действием которого трансформатор может выйти из строя.

 

Для того чтобы избежать появления колебательного процесса в схеме тиристорного регулятора вероятно можно отказаться от импульсного управления тиристором, но в этом случае схема управления усложняется или становится неэкономичной. Поэтому автор разработал схему тиристорного регулятора в которой тиристор нормально запускается управляющими импульсами и колебательного процесса не возникает. Такая схема приведена на рис. 5.

 

 

Рис. 5.

 

     Здесь тиристор нагружен на пусковое сопротивление Rп, а конденсатор фильтра Cф и нагрузка Rн подключены через пусковой диод VDп. В такой схеме запуск тиристора происходит независимо от напряжения на конденсаторе фильтра Cф.  После подачи запускающего импульса на тиристор его анодный ток сначала начинает проходить через пусковое сопротивление Rп и, затем, когда напряжение на Rп превысит напряжение на нагрузке Uн, открывается пусковой диод VDп и анодный ток тиристора подзаряжает конденсатор фильтра Cф. Сопротивление Rп выбирается такой величины чтобы обеспечить устойчивый запуск тиристора при минимальном времени задержки запускающего импульса tз. Понятно, что на пусковом сопротивлении бесполезно теряется некоторая мощность. Поэтому в приведенной схеме предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания, тогда можно будет применить пусковое сопротивление большой величины и уменьшить потери мощности.

 

    Схема на рис. 5 имеет тот недостаток, что ток нагрузки проходит через дополнительный диод VDп, на котором бесполезно теряется часть выпрямленного напряжения. Этот недостаток можно устранить, если подключить пусковое сопротивление Rп к отдельному выпрямителю. Схема с отдельным выпрямителем управления, от которого питается схема запуска и пусковое сопротивление Rп приведена на рис. 6. В этой схеме диоды выпрямителя управления могут быть маломощными т. к. ток нагрузки протекает только через силовой выпрямитель.

 

 

 

Рис. 6.

 

Низковольтные источники питания с тиристорным регулятором

 

Ниже приводится описание нескольких конструкций низковольтных выпрямителей с тиристорным регулятором. При их изготовлении я взял за основу схему тиристорного регулятора, применяемого в устройствах для заряда автомобильных аккумуляторов (см. рис. 7). Эта схема успешно применялась моим покойным товарищем А. Г. Спиридоновым.

 

 

Рис. 7.

 

 

Элементы, обведенные на схеме (рис. 7), устанавливались на небольшой печатной плате. В литературе описано несколько подобных схем, отличия между ними минимальны, в основном, типами и номиналами деталей. В основном отличия такие:

 

1.     Применяют времязадающие конденсаторы разной емкости, т. е. вместо 0.5mF ставят 1mF, и, соответственно, переменное сопротивление другой величины. Для надежности запуска тиристора в своих схемах я применял конденсатор на 1mF.

 

2.     Параллельно времязадающему конденсатору можно не ставить сопротивление (3kW на рис. 7). Понятно, что при этом может потребоваться переменное сопротивление не на 15kW, а другой величины. Влияние сопротивления, параллельного времязадающему конденсатору на устойчивость работы схемы я пока не выяснил.

 

3.     В большинстве описанных в литературе схем применяются транзисторы типов КТ315 и КТ361. Порою они выходят из строя, поэтому в своих схемах я применял более мощные транзисторы типов КТ816 и КТ817.

 

4.     К точке соединения базы pnp и коллектора npn транзисторов может быть подключен делитель из сопротивлений другой величины (10kW и 12kW на рис. 7).

 

5.     В цепи управляющего электрода тиристора можно установить диод (см. на схемах, приведенных ниже). Этот диод устраняет влияние тиристора на схему управления.

 

Схема (рис. 7) приведена для примера, несколько подобных схем с описаниями можно найти в книге “Зарядные и пуско-зарядные устройства: Информационный обзор для автолюбителей / Сост. А. Г. Ходасевич, Т. И. Ходасевич -М.:НТ Пресс, 2005”. Книга состоит из трех частей, в ней собраны чуть ли не все зарядные устройства за историю человечества.

 

Простейшая схема выпрямителя с тиристорным регулятором напряжения приведена на рис. 8.

 

 

Рис. 8.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.

 

Достоинством данной схемы является меньшее число силовых диодов, требующих установки на радиаторы. Заметим, что диоды Д242 силового выпрямителя соединены катодами и могут быть установлены на общий радиатор. Анод тиристора соединенный с его корпусом подключен к “минусу” нагрузки.

 

Монтажная схема этого варианта управляемого выпрямителя приведена на рис. 10.

 

 

Рис. 10.

 

 

Для сглаживания пульсаций выходного напряжения может быть применен LC-фильтр. Схема управляемого выпрямителя с таким фильтром приведена на рис. 11.

 

 

Рис. 11.

 

 

Я применил именно LC-фильтр по следующим соображениям:

 

1.     Он более устойчив к перегрузкам. Я разрабатывал схему для лабораторного источника питания, поэтому перегрузки его вполне возможны. Замечу, что даже если сделать какую-либо схему защиты, то у нее будет некоторое время срабатывания. За это время источник питания не должен выходить из строя.

 

2.     Если сделать транзисторный фильтр, то на транзисторе обязательно будет падать некоторое напряжение, поэтому КПД будет низкий, а транзистору может потребоваться радиатор.

 

В фильтре использован серийный дроссель Д255В.

 

Рассмотрим возможные модификации схемы управления тиристором. Первая из них показана на рис. 12.

 

 

Рис. 12.

 

    Обычно времязадающую цепь тиристорного регулятора делают из включенных последовательно времязадающего конденсатора и переменного сопротивления. Иногда удобно построить схему так, чтобы один из выводов переменного сопротивления был подключен к “минусу” выпрямителя. Тогда можно включить переменное сопротивление параллельно конденсатору, как сделано на рисунке 12. Когда движок находится в нижнем по схеме положении, основная часть тока, проходящего через сопротивление 1.1kW поступает во времязадающий конденсатор 1mF и быстро заряжает его. При этом тиристор запускается на “макушках” пульсаций выпрямленного напряжения или немного раньше и выходное напряжение регулятора получается наибольшим. Если движок находится в верхнем по схеме положении, то времязадающий конденсатор закорочен и напряжение на нем никогда не откроет транзисторы. При этом выходное напряжение будет равно нулю. Меняя положение движка переменного сопротивления, можно изменять силу тока, заряжающего времязадающий конденсатор и, таким образом, время задержки запускающих импульсов.

 

Иногда требуется производить управление тиристорным регулятором не при помощи переменного сопротивления, а от какой-нибудь другой схемы (дистанционное управление, управление от вычислительной машины). Бывает, что детали тиристорного регулятора находятся под большим напряжением и непосредственное присоединение к ним опасно. В этих случаях вместо переменного сопротивления можно использовать оптрон.

 

 

Рис. 13.

 

    Пример включения оптрона в схему тиристорного регулятора показан на рис. 13. Здесь используется транзисторный оптрон типа 4N35. База его фототранзистора (вывод 6) соединена через сопротивление с эмиттером (вывод 4). Это сопротивление определяет коэффициент передачи оптрона, его быстродействие и устойчивость к изменениям температуры. Автор испытал регулятор с указанным на схеме сопротивлением 100kW, при этом зависимость выходного напряжения от температуры оказалась ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ, т. е. при очень сильном нагреве оптрона (оплавилась полихлорвиниловая изоляция проводов) выходное напряжение уменьшалось. Вероятно, это связано с уменьшением отдачи светодиода при нагреве. Автор благодарит С. Балашова за советы по использованию транзисторных оптронов.

 

 

 

Рис. 14.

 

 

    Рассмотрим также пример схемы с тиристорным регулятором на большее напряжение (см. рис. 15). Схема питается от вторичной обмотки силового трансформатора ТСА-270-1, дающей переменное напряжение 32V. Номиналы деталей, указанные на схеме, подобраны под это напряжение.

 

 

Рис. 15.

 

 

    Схема на рис. 15 позволяет плавно регулировать выходное напряжение от 5V до 40V, что достаточно для большинства устройств на полупроводниковых приборах, таким образом, эту схему можно взять за основу при изготовлении лабораторного источника питания.

 

Недостатком этой схемы является необходимость рассеивать достаточно большую мощность на пусковом сопротивлении R7. Понятно, что чем меньше ток удержания тиристора, тем больше может быть величина и меньше мощность пускового сопротивления R7. Поэтому здесь предпочтительно использовать тиристоры с малым током удержания.

 

Заметим также следующее. Часто в схемах тиристорных регуляторов применяют пороговые элементы с неизменным порогом срабатывания. При макетировании схемы автор решил так поступить чтобы обеспечить подачу в управляющий электрод тиристора импульсов постоянной амплитуды. Попытка стабилизировать порог срабатывания транзисторной схемы управления привела к ухудшению стабильности ее работы. Поэтому от стабилизации напряжения на конденсаторе C1, при котором открываются транзисторы было решено отказаться; к точке соединения базы VT1 и коллектора VT2 подключен делитель R4R5, питающийся пульсирующим напряжением с выпрямителя на диодах VD1-VD4. В этом случае схема работает устойчиво и в ней не замечено паразитных колебаний.

 

Кроме обычных тиристоров в схеме тиристорного регулятора может быть использован оптотиристор. На рис. 16. приведена схема с оптотиристором ТО125-10.

 

 

Рис. 16.

 

    Здесь оптотиристор просто включен вместо обычного, но т.к. его фототиристор и светодиод изолированы друг от друга, схемы его применения в тиристорных регуляторах могут быть и другими. Заметим, что благодаря малому току удержания тиристоров ТО125 пусковое сопротивление R7 требуется менее мощное, чем в схеме на рис. 15. Поскольку автор опасался повредить светодиод оптотиристора большими импульсными токами, в схему было включено сопротивление R6. Как оказалось, схема работает и без этого сопротивления, причем без него схема лучше работает при низких напряжениях на выходе.

 

Высоковольтные источники питания с тиристорным регулятором

 

При разработке высоковольтных источников питания с тиристорным регулятором за основу была взята схема управления оптотиристором, разработанная В. П. Буренковым (ПРЗ) для сварочных аппаратов.  Для этой схемы разработаны и выпускаются печатные платы. Автор выражает благодарность В. П. Буренкову за образец такой платы. Схема одного из макетов регулируемого выпрямителя с использованием платы конструкции Буренкова приведена на рис. 17.

 

 

Рис. 17.

 

     Детали, установленные на печатной плате обведены на схеме пунктиром. Как видно из рис. 16, на плате установлены гасящие сопротивления R1 и R2, выпрямительный мост VD1 и стабилитроны VD2 и VD3. Эти детали предназначены для питания от сети 220V. Чтобы испытать схему тиристорного регулятора без переделок в печатной плате, использован силовой трансформатор ТБС3-0,25У3, вторичная обмотка которого подключена таким образом, что с нее снимается переменное напряжение 200V, т. е. близкое к нормальному питающему напряжению платы. Схема управления работает аналогично описанным выше, т. е. конденсатор С1 заряжается через подстроечное сопротивление R5 и переменное сопротивление (установлено вне платы) до того момента, пока напряжение на нем не превысит напряжение на базе транзистора VT2, после чего транзисторы VT1 и VT2 открываются и происходит разряд конденсатора С1 через открывшиеся транзисторы и светодиод оптронного тиристора.

 

Достоинством данной схемы является возможность подстройки напряжения, при котором открываются транзисторы (при помощи R4), а также минимального сопротивления во времязадающей цепи (при помощи R5). Как показывает практика, иметь возможность такой подстройки весьма полезно, особенно если схема собирается в любительских условиях из случайных деталей. При помощи подстроечных сопротивлений R4 и R5 можно добиться регулировки напряжения в широких пределах и устойчивой работы регулятора.

 

С этой схемы я начинал свои ОКР по разработке тиристорного регулятора. В ней же и был обнаружен пропуск запускающих импульсов при работе тиристора на емкостную нагрузку (см. рис. 4). Желание повысить стабильность работы регулятора привело к появлению схемы рис. 18. В ней автор опробовал работу тиристора с пусковым сопротивлением (см. рис 5.

 

 

 

Рис. 18.

 

    В схеме рис. 18. использована та же плата, что и в схеме рис. 17, только с нее удален диодный мост, т.к. здесь используется один общий для нагрузки и схемы управления выпрямитель. Заметим, что в схеме на рис. 17 пусковое сопротивление подобрано из нескольких параллельно включенных чтобы определить максимально возможное значение этого сопротивления, при котором схема начинает устойчиво работать. Между катодом оптотиристора и конденсатором фильтра включено проволочное сопротивление 10W. Оно нужно для ограничения бросков тока через опторитистор. Пока это сопротивление не было установлено, после поворота ручки переменного сопротивления оптотиристор пропускал в нагрузку одну или несколько целых полуволн выпрямленного напряжения.

На основании проведенных опытов была разработана схема выпрямителя с тиристорным регулятором, пригодная для практического использования. Она приведена на рис. 19.

 

 

Рис. 19.

 

 

 

Рис. 20.

 

     Печатная плата SCR1M0 (рис. 20) разработана для установки на нее современных малогабаритных электролитических конденсаторов и проволочных сопротивлений в керамическом корпусе типа SQP. Автор выражает благодарность Р. Пеплову за помощь с изготовлением и испытанием этой печатной платы.

 Поскольку автор разрабатывал выпрямитель с наибольшим выходным напряжением 500V, потребовалось иметь некоторый запас по выходному напряжению на случай снижения напряжения сети. Увеличить выходное напряжение оказалось возможным если пересоединить обмотки силового трансформатора, как показано на рис. 21.

 

 

Рис. 21.

 

     Замечу также, что схема рис. 19 и плата рис. 20 разработаны с учетом возможности их дальнейшего развития. Для этого на плате SCR1M0 имеются дополнительные выводы от общего провода GND1 и GND2, от выпрямителя DC1

 

Разработка и налаживание выпрямителя с тиристорным регулятором SCR1M0 проводились совместно со студентом Р. Пеловым в ПГУ. C его помощью были сделаны фотографии модуля SCR1M0 и осциллограмм.

 

 

Рис. 22. Вид модуля SCR1M0 со стороны деталей

 

 

Рис. 23. Вид модуля SCR1M0 со стороны пайки

 

 

Рис. 24. Вид модуля SCR1M0 сбоку

 

Таблица 1. Осциллограммы при малом напряжении

 

№ п/п

Минимальное положение регулятора напряжения

По схеме

Примечания

1

На катоде VD5

5 В/дел

2 мс/дел

2

На конденсаторе C1

2 В/дел

2 мс/дел

3

т.соединения R2 и R3

2 В/дел

2 мс/дел

4

На аноде тиристора

100 В/дел

2 мс/дел

5

На катоде тиристора

50 В/дел

2 мс/де

 

 

 

Таблица 2. Осциллограммы при среднем напряжении

 

№ п/п

Среднее положение регулятора напряжения

По схеме

Примечания

1

На катоде VD5

5 В/дел

2 мс/дел

2

На конденсаторе C1

2 В/дел

2 мс/дел

3

т.соединения R2 и R3

2 В/дел

Синхронный выпрямитель своими руками

Приветствую, Самоделкины!
Сегодня мы сделаем шаг на ступень выше в электронике, а именно, соберем синхронный выпрямитель. Устройство не новое, но еще не сильно популярное.

Автором данной самоделки является Роман (автор YouTube канала «Open Frime TV»).

Как известно, в любом блоке питания на выходе стоит выпрямительный диод. В последнее время широко используют диоды шоттки, так как у них меньше падение напряжения и, следовательно, они меньше греются. Но нагрев все-таки есть и при больших мощностях он внушительный.
Если ставить диод ultrafast, то там ситуация еще хуже, так как падение напряжения больше, и отсюда появляется одна из важнейших проблем - это радиаторы.



По-хорошему, нельзя устанавливать высокую сторону и низкую на один радиатор, так как может случиться пробой и на выход попадет высокое напряжение. Значит нужно разделять горячую и холодную сторону на разные радиаторы. Но не у всех есть нужное количество радиаторов чтобы все охладить. Да и при больших мощностях уже не обойтись без принудительного охлаждения.
Умные люди начали думать над данной проблемой и нашли простой выход - использовать вместо диодов полевые транзисторы.


У них сопротивление открытого канала очень маленькое и, следовательно, ток, протекающий через них, будет меньше выделять тепла. На первый взгляд все просто, но нет. Для корректной работы транзисторам необходимо правильное управление. Тут тоже поработали умные люди и создали микросхемы для управления транзисторами в синхронном выпрямителе.

Нам же остается просто собрать схему и разобраться, как она работает. Сама схема перед вами:

Как видим, деталей тут всего ничего. Микросхема выпрямителя есть только в smd корпусе.


Из этого получается, что схема управления много места не займет, а кпд вырастет в разы. Итак, попробуем разобраться, как это работает. Первое, что бросается в глаза, это то, что средняя точка будет плюсом, а боковые минусом.

Все потому, что транзисторы включаются в обратном направлении.

Работает выпрямитель таким образом: допустим, во время первого импульса мы имеем такие знаки на обмотках.

Микросхема это отслеживает и открывает нижний транзистор.

Ток в это время течет по вот такой цепи:

Далее следует второй импульс.

Теперь открывается верхний транзистор и пропускает ток в нагрузку.
Опытные электронщики сразу же вспомнят внутренний диодик в транзисторе, но если еще раз посмотреть на знаки напряжений, то становится понятно зачем транзистор включен в обратном направлении.

В то время, когда один транзистор открыт, второй подперт высоким напряжением и диод априори не может пропустить ток.

Но каждое действие имеет последствия, в нашем случае это проявляется в том, что к транзистору приложены две амплитуды напряжения. Как вы поняли это плохо. Подробнее об этом узнаем при реальном расчете.

Теперь, что касается остальных элементов схемы. Стабилитрон нужен для ограничения питания микросхемы, так как оно не должно превышать 20В.

Конденсатор сглаживает напряжение питания микросхемы.

Резистор, идущий на землю, можно выбирать в пределах от 25 до 150 кОм, он влияет на скорость открытие транзистора. Автор выбрал резистор на 30 кОм, этого вполне достаточно.

Также на скорость открытия влияет затворный резистор, его номинал может быть от 10 до 30 Ом, можно и больше расширить предел, это уже на ваше усмотрение.

Для проверки работоспособности данной схемы пришлось нарисовать печатку. Это чисто плата синхронного выпрямителя. Скачать схему и печатку можно ЗДЕСЬ.

Ее можно встроить в любой полумостовой блок питания и забыть про перегрев выходной части. Как видим печатка получилась компактной. Ширина силовых дорожек небольшая, но как уже говорилось ранее, это макет.

Когда плату вытравили, запаиваем ее. Сложности могут возникнуть только с микросхемой, но если постараться, то все получится. В итоге получаем вот такое красивое устройство:

Теперь давайте более детальней поговорим про расчет. Так как это у автора пробный вариант, и он не оснащен задающей частью, то для запуска воспользуемся внешним трансформатором от какого-то старого проекта. Задающая часть тут IR2153. На выходе должны получать около 24В.

Расчеты этого блока перед вами:

Нас интересует такой параметр, как амплитудное значение напряжения вторичной обмотки, оно у нас 28В. И теперь умножаем это значение на 2, почему, уже говорилось выше. И вот на полученное напряжение нам нужно выбирать транзистор. Заходим в каталог транзисторов радиорынка и начинаем смотреть, что имеется в наличии.

И вот тут всплывают минусы синхронного выпрямителя, проявляются они в соотношении цены, напряжения транзистора и сопротивления открытого канала.

Как видим, чем больше напряжение, тем больше и сопротивление, а если сопротивление низкое, то цена на данный транзистор довольно большая. Но тут уже каждый будет решать нужен ему такой выпрямитель или нет.
Для того, чтобы оптимально выбрать транзистор, нам нужно понимать сколько же мощности на нем рассеется. В этом нам поможет закон дедушки Ома.

Транзистор выбираем по двойной амплитуде. Соотношение цена-сопротивление канала, выбор пал на 75nf75.

Произведя расчет для тока в 10А, получаем выделяемую мощность в 1,1Вт. Сравним теперь синхронный выпрямитель с диодом шоттки. При тех же 10А получим 4Вт. Результат налицо.

В общем, смысл такого выпрямителя в следующем, на низких напряжениях он в разы лучше диода, а вот с повышением напряжения уже картина становится не такой красивой.

Цена на компоненты большая, а кпд выше на пару процентов. Посмотрим, как работает устройство. Подключаем вторичку проводами прямо к плате и смотрим напряжение на выходе, оно примерно 24В, что соответствует ранее посчитанному.

Это означает, что плата работает в штатном режиме. Тест на нагрев проводить пока не целесообразно, так как задающая часть слабовата. Сейчас мы только проверяем работоспособность.

Теперь можем для демонстрации работы встать щупом осциллографа на затвор транзистора и посмотреть, как он открывается.

Как видим, импульс немного завален. Это означает, что к нагреву добавятся еще коммутационные потери, но они не такие значительные.
Да, и еще, во время построения данного выпрямителя можно с легкостью наступить на грабли. Проявляются они в виде неоригинальных транзисторов, у которых сопротивление открытого канала намного больше заявлено в даташите. Это сейчас очень актуальная тема.

Ну а на этом пора заканчивать. Благодарю за внимание. До новых встреч!


Источник (Source) Становитесь автором сайта, публикуйте собственные статьи, описания самоделок с оплатой за текст. Подробнее здесь.

Выпрямители: Однофазный однополупериодный выпрямитель - Club155.ru

 

Простейшим выпрямителем является схема однофазного однополупериодного выпрямителя (рис. 3.4-1а). Графики, поясняющие его работу при синусоидальном входном напряжении \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)}\) , представлены на рис. 3.4-1б.

 

Рис. 3.4-1. Однофазный однополупериодный выпрямитель (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

На интервале времени \(\left[ {0;} T/2 \right]\) полупроводниковый диод выпрямителя смещен в прямом направлении и напряжение, а следовательно, и ток в нагрузочном резисторе повторяют форму входного сигнала. На интервале \(\left[ T/2 {;} T \right]\) диод смещен в обратном направлении и напряжение (ток) на нагрузке равно нулю. Таким образом, среднее значение напряжения на нагрузочном резисторе будет равно:

\(U_{н ср} = \cfrac{1}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T} U_н \operatorname{d}t = \cfrac{1}{T} {\huge \int \normalsize}_{0}^{T/2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d}t = \)

\(= - \cfrac{U_{вх max}}{T \omega} \cos{\left( \omega t \right)}{\huge \vert \normalsize}_{0}^{T/2} \approx \cfrac{U_{вх max}}{\pi} = \sqrt{2} \cfrac{U_{вх д}}{\pi}\),

где \(U_{вх д}\) — действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

 

Аналогично, для среднего тока нагрузки:

\(I_{н ср} = \cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi} I_{max} \sin{\left( \omega t \right)} \operatorname{d} t \approx \cfrac{I_{max}}{\pi} = {0,318} \cdot I_{max} \),

где \(I_{max}\) — максимальная амплитуда выпрямленного тока.

 

Действующее значение тока нагрузки \(I_{н д}\) (через диод протекает такой же ток):

\(I_{н д} = \sqrt{\cfrac{I_{max}^2}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{0}^{\pi^{ }} \sin{\left( \omega t \right)}^2 \operatorname{d} t} = \cfrac{I_{max}}{2} = {0,5} \cdot I_{max} \) 

 

Отношение среднего значения выпрямленного напряжения \(U_{н ср}\) к действующему значению входного переменного напряжения \(U_{вх д}\) называется коэффициентом выпрямления (\(K_{вып}\)). Для рассматриваемой схемы \(K_{вып} = {0,45}\).

Максимальное обратное напряжение на диоде \(U_{обр max} = U_{вх max} = \pi U_{н ср}\) , т.е. более чем в три раза превышает среднее выпрямленное напряжение (это следует учитывать при выборе диода для выпрямителя).

Спектральный состав выпрямленного напряжения имеет вид (разложение в ряд Фурье):

\(U_н = \cfrac{1}{\pi} U_{вх max} + \cfrac{1}{2} U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} - \cfrac{2}{3 \pi} \cos{\left( 2 \omega t \right)} - \)

\( - \cfrac{2}{15 \pi} U_{вх max} \cos{\left( 4 \omega t \right)} - {…} \)

 

Коэффициент пульсаций, равный отношению амплитуды низшей (основной) гармоники пульсаций к среднему значению выпрямленного напряжения, для описываемой схемы однополупериодного выпрямителя равен:

\(K_п = \cfrac{U_{пульс max 01}}{U_{н ср}} = \cfrac{\pi}{2} = {1,57}\). 

Как видно, однополупериодное выпрямление имеет низкую эффективность из-за высокой пульсации выпрямленного напряжения.

 

Еще один отрицательный аспект однополупериодного выпрямления связан с неэффективным использованием силового трансформатора, с которого берется переменное напряжение. Это обусловлено тем, что в токе вторичной обмотки трансформатора существует постоянная составляющая, равная среднему значению выпрямленного тока. Такая составляющая не трансформируется, т.е.:

\(I_1 \cdot w_1 = \left( I_2 – I_{н ср} \right) w_2\) ,

где \(I_1\), \(I_2\) — токи первичной и вторичной обмоток, а \(w_1\), \(w_2\) — число витков первичной и вторичной обмоток трансформатора.

 

Временнáя диаграмма тока первичной обмотки трансформатора (рис. 3.4-2) подобна диаграмме тока вторичной обмотки, но смещена на величину \(I_{н ср} \cfrac{w_2}{w_1}\).

 

Рис. 3.4-2. Временная диаграмма токов в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора, нагруженного на схему однофазного однополупериодного выпрямителя

 

В сердечнике трансформатора за счет постоянной составляющей тока вторичной обмотки создается постоянный магнитный поток \(\Phi_0 = w_2 \cdot I_0\). Это явление принято называть вынужденным намагничиванием сердечника трансформатора. Оно может вызвать насыщение магнитной системы трансформатора, т.е. увеличение тока холостого хода, действующего значения первичного тока и следовательно, расчетной мощности первичной обмотки трансформатора, что обусловливает увеличение необходимых размеров трансформатора в целом.

Дополнительный минус однополупериодного выпрямления состоит в наличии участка стабильного тока, что также снижает эффективность использования трансформатора по мощности. Максимальный коэффициент использования трансформатора по мощности для такой схемы не превышает \(k_{тр P} \approx {0,48}\).

Для снижения уровня пульсаций на выходе выпрямителя включаются разнообразные индуктивно-емкостные фильтры. Наличие конденсаторов и индуктивностей в цепи нагрузки оказывает значительное влияние на работу выпрямителя.

В маломощных выпрямителях обычно применяют простейший емкостный фильтр, который представляет собой конденсатор, включенный параллельно нагрузке (рис. 3.4-3).

 

Рис. 3.4-3. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

В установившемся режиме работы, когда напряжение на входе выпрямителя \(U_{вх}\) больше напряжения на нагрузке \(U_н\) и диод выпрямителя открыт, конденсатор будет подзаряжаться, накапливая энергию, поступающую от внешнего источника. Когда же напряжение на входе выпрямителя упадет ниже уровня открывания диода и он закроется, конденсатор начнет разряжаться через \(R_н\), предотвращая при этом быстрое падение уровня напряжения на нагрузке. Таким образом, результирующее напряжение на выходе выпрямителя (на нагрузке) окажется уже не таким пульсирующим, а будет значительно сглажено, причем тем сильнее, чем большую емкость будет иметь применяемый конденсатор.

Обычно, емкость конденсатора фильтра выбирают такой, чтобы его реактивное сопротивление было намного меньше сопротивления нагрузки (\(1/ \omega C \ll R_н\)). В этом случае пульсации напряжения на нагрузке малы и допустимо предполагать, что это напряжение постоянно (\(U_н \approx {const}\)). Примем: \(U_н = U_{вх max} \cos{\beta}\), где \(\beta\) — некоторая константа, определяющая значение напряжения на нагрузке. Очевидно, что в общем случае \(\beta\) зависит от емкости конденсатора, сопротивления нагрузки, частоты входного напряжения и т.п. Физический смысл этой величины можно понять из временных диаграмм, приведенных на рис. 3.4-4. Как видно, \(\beta\) отражает длительность временного интервала в одном периоде колебаний внешнего напряжения, когда диод выпрямителя находится в открытом состоянии (\(\beta = \omega \cdot t_{откр}/2\)). Угол \( \beta\) принято называть углом отсечки.

 

Рис. 3.4-4. График зависимости \(A(\beta)\)

 

Для тока, протекающего через диод в открытом состоянии, можно записать:

\( I_д = \cfrac{U_{вх} - U_н}{r} \) , 

где \(r\) — активное сопротивление, обусловленное сопротивлением диода в открытом состоянии и сопротивлением вторичной обмотки трансформатора (иногда его называют сопротивлением фазы выпрямителя).

 

Учитывая, что \(U_{вх} = U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} \):

\(I_д = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{\left( \omega t \right)} - \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left(\sin{\left(\varphi \right)} - \cos{\left( \beta \right)} \right)\)   (3.4.1)

Среднее за период значение выпрямленного тока диода (учитывая, что диод открыт только на участке \(\varphi = \left[\pi/2 – \beta ; \pi/2 + \beta \right]\):

\(I_{д ср} =\cfrac{1}{2 \pi} {\huge \int \normalsize}_{\frac{\pi}{2} - \beta}^{\frac{\pi}{2} + \beta} \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( \sin{ \left( \varphi \right)} - \cos{\left( \beta \right)} \right) \operatorname{d} \varphi =\)

\(= \cfrac{U_{вх max}}{\pi r} \left( \sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)} \right) \)  

 

Поскольку \(U_{вх max} = \cfrac{U_н}{\cos{\left( \beta \right)}} \):

\(I_{д ср} =\cfrac{U_н}{\pi r} \cdot \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)} } = \cfrac{U_н}{\pi r} A \left( \beta \right) \),

где \( A \left( \beta \right) = \cfrac{\sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}} = \operatorname{tg} \left( \beta \right) - \beta \)    (3.4.2)

 

Формула (3.4.2) очень важна при расчете выпрямителя. Ведь угол отсечки \(\beta\) не является заранее известным исходным параметром, как правило, его приходится вычислять на основании заданных выходного напряжения (\(U_н\)), сопротивления (\(R_н\)) или тока нагрузки (\(I_н\)), а также параметров применяемого диода и трансформатора (которые определяют сопротивление фазы \(r\)). Располагая этими данными и учитывая (3.4.2) можно определить значение коэффициента \(A\):

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{д ср} \pi r}{U_н} \)

Средний ток через диод \(I_{д ср}\) равен среднему току нагрузки \(I_{н ср}\), а учитывая, что напряжение на нагрузке предполагается неизменным, то и мгновенное значение тока через нагрузку равно току диода: \(I_н = I_{д ср}\). Таким образом:

\(A \left( \beta \right) = \cfrac{I_{н} \pi r}{U_н} = \cfrac{\pi r}{R_н} \)

 

Для нахождения угла отсечки \(\beta\) при известном коэффициенте \(A(\beta)\) на практике обычно пользуются графиком (рис. 3.4-4).

Максимальное значение тока диода достигается при \(U_{вх} = U_{вх max}\) в момент времени, когда \(\varphi = \pi/2 \), т.е. согласно выражения (3.4.1):

\( I_{д max} = \cfrac{U_{вх max}}{r} \left( 1 - \cos{\left( \beta \right)} \right) = \cfrac{U_н}{r} \cdot \cfrac{\pi \left( 1 - \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\cos{\left( \beta \right)}} \)

 

И далее, учитывая (3.4.2) получим:

\( I_{д max} = \cfrac{I_{д ср} \cdot \pi}{A \left( \beta \right)} \cdot \cfrac{1- \cos{\left( \beta \right)}}{\cos{\left( \beta \right)}}\), где \(F \left( \beta \right) = \cfrac{\pi \cdot \left( 1 - \cos{\left( \beta \right)} \right)}{\sin{\left( \beta \right)} - \beta \cos{\left( \beta \right)}}\)

 

График функции \(F(\beta)\) представлен на рис. 3.4-5. Из него видно, что с уменьшением угла отсечки \(\beta\) существенно увеличивается амплитуда тока через вентили.

 

Рис. 3.4-5. График зависимости \(F(\beta)\)

 

Таким образом, емкостный характер нагрузки выпрямителя приводит к тому, что выпрямительный диод оказывается открытым в течение меньшего промежутка времени, а амплитуда тока, проходящего в это время через диод, оказывается больше, чем в аналогичной схеме, работающей на чисто активную нагрузку. Этот факт необходимо учитывать при выборе диода, который должен выдерживать повторяющийся ток соответствующей амплитуды и более того, нормально переносить первоначальный всплеск тока при включении, когда происходит первоначальная зарядка конденсатора.

Указанная закономерность справедлива не только для описываемой схемы однофазного однополупериодного выпрямления. Аналогичным образом будет происходить работа и других рассматриваемых далее схем, имеющих нагрузку емкостного характера.

Требуемый коэффициент пульсаций на выходе однофазного однополупериодного выпрямителя с емкостным фильтром \(K_п\) может быть получен при правильном выборе емкости сглаживающего конденсатора. Для ее нахождения используется следующая формула:

\( С = \cfrac{H(\beta)}{r \cdot K_п}\),

где \(H(\beta)\) — это еще один вспомогательный коэффициент, значение которого находится по графику (рис. 3.4-6).

 

Рис. 3.4-6. График зависимости \(H(\beta)\)

 

Емкостный фильтр характерен для выпрямителей, рассчитанных на малые токи нагрузки. При больших токах обычно применяют индуктивные фильтры. Такой фильтр представляет собой катушку индуктивности (обычно с ферромагнитным сердечником), включенную последовательно с нагрузкой (рис. 3.4-7). Наличие индуктивности в цепи нагрузки также как и емкость оказывает значительное влияние на режим работы вентилей выпрямителя.

 

Рис. 3.4-7. Схема однофазного однополупериодного выпрямителя с индуктивным фильтром (а) и временные диаграммы, поясняющие его работу (б)

 

Работа схемы на рис. 3.4-7 описывается уравнением:

\( U_{вх max} \sin{\left( \omega t \right)} = L \cfrac{\operatorname{d} I_н}{\operatorname{d} t} + I_н R_н \)

Приняв ток в цепи в начальный момент времени \((t = 0)\) равным нулю, решив данное уравнение получим следующее выражение для тока в цепи нагрузки:

\(I_н(t) = \cfrac{U_{вх max}}{\sqrt{R_н^2 + {\left( \omega L \right)}^2}} \left( \sin{\left( \omega t - \theta \right)} + e^{- \cfrac{R_н t}{L}} \sin{( \theta )} \right) \),

где \( \theta = \operatorname{arctg} \left( \cfrac{\omega L}{R_н} \right) \)

 

Временная диаграмма, отражающая эту зависимость приведена на рис. 3.4-7(б). По ней хорошо виден физический смысл константы \(\theta\). Она представляет собой угол, на который запаздывает основной всплеск тока в нагрузке относительно инициирующего его всплеска напряжения на входе выпрямителя.

Если проанализировать зависимость тока нагрузки \(I_н(t)\), можно заметить, что его амплитуда с увеличением индуктивности катушки падает (соответственно падает и его среднее значение). Т.е. среднее значение напряжения на нагрузке оказывается меньшим, чем в случае отсутствия индуктивности, уменьшаются также пульсации выходного напряжения. Сами колебания тока оказываются сдвинутыми относительно колебаний входного напряжения на угол \(\theta\). Это является причиной скачкообразного приложения к диоду в момент его запирания отрицательного обратного напряжения величиною до \(U_{обр} = U_{вх max}\).

Описанный режим работы вентилей (затягивание тока, уменьшение его амплитуды, скачкообразное приложение обратного напряжения) при наличии индуктивного фильтра характерен для всех схем выпрямителей. Индуктивный фильтр обычно применяют в схемах мощных выпрямителей, поскольку в этом случае требуемая для существенного изменения параметров выходного напряжения индуктивность оказывается незначительной.

Наиболее эффективно сглаживание пульсаций выпрямленного напряжения осуществляется с помощью сложных многозвенных фильтров, в состав которых входят и катушки индуктивности и конденсаторы (основой таких фильтров являются т.н. Г- или П-образные звенья).

 

 

< Предыдущая   Следующая >

Различные типы выпрямителей и их работа

Rectifier Circuit

Схема выпрямителя

Как общая часть всех цепей электронных источников питания, выпрямительная цепь обеспечивает питание постоянного тока от имеющегося источника переменного тока для правильной работы электронного оборудования. В зависимости от типа применения, эта конфигурация и типы выпрямителя различаются, например, диодные выпрямители, выпрямители с фазовым управлением и т. Д., Но каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Схема выпрямителя может быть реализована с различными твердотельными электронными или электрическими компонентами, такими как диоды, тиристоры, полевые МОП-транзисторы и так далее.На этих компонентах используется выпрямитель, работа которого изменяется для получения требуемой мощности. Прежде чем узнать его типы, дайте нам знать вкратце, что такое выпрямитель.

Что такое выпрямитель?

Выпрямитель - это схема, которая используется для преобразования источника переменного тока в однонаправленный источник постоянного тока. Этот процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC) также называется выпрямлением. Эти мостовые выпрямители доступны в различных корпусах в виде модулей от нескольких ампер до нескольких сотен ампер.В основном в схемах мостовых выпрямителей полупроводниковый диод используется для преобразования переменного тока, поскольку он позволяет току течь только в одном направлении (однонаправленное устройство).

What is a Rectifier

Что такое выпрямитель

Выбор мостового выпрямителя

зависит от требований к нагрузке, и, помимо этого, некоторые дополнительные соображения включают номинальные характеристики компонентов, напряжение пробоя, номинальный прямой ток, номинальный переходный ток, диапазоны температур, требования к установке и т. Д. Мы можем подключать диоды в различных конфигурациях для получения различных типов выпрямителей.

Типы выпрямителей

Выпрямители

подразделяются на множество конфигураций, как показано на рисунке ниже. Эти выпрямители классифицируются в зависимости от таких факторов, как тип источника питания, конфигурация моста, характер управления, используемые компоненты и т. Д. В основном выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные выпрямители, а затем подразделяются на неуправляемые, полууправляемые и полностью управляемые выпрямители. Давайте вкратце рассмотрим некоторые из этих типов выпрямителей.

Types of Rectifiers

Типы выпрямителей

Однофазные неуправляемые выпрямители

В выпрямителях этого типа используется неуправляемый диод для выпрямления входного переменного тока. На выходных клеммах этого выпрямителя мощность становится постоянной, и изменение ее величины или значения в зависимости от требований нагрузки невозможно.

Полуволновой выпрямитель

Это простой тип выпрямителя, состоящий из одного диода, который включен последовательно с нагрузкой. Для малых уровней мощности обычно используется этот тип выпрямительной схемы.

Half Wave Rectifier

Полуволновой выпрямитель

Во время положительной половины входа переменного тока диод смещается в прямом направлении, и через него начинают протекать токи. Во время отрицательной половины входа переменного тока диод становится смещенным в обратном направлении, и ток перестает течь через него. Форма выходного сигнала на нагрузке показана на рисунке. Из-за высокой пульсации на выходе этот тип выпрямителя редко используется с чисто резистивной нагрузкой.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

В выпрямителе этого типа используются два диода и трансформатор с центральной вторичной обмоткой с ответвлениями.Во время положительного полупериода входного переменного тока диод D1 смещен в прямом направлении, и через него начинает течь ток к нагрузке. Во время отрицательной половины входной диод D2 смещен в прямом направлении, а D1 становится смещенным в обратном направлении. Ток нагрузки начинает течь через D2 во время этого отрицательного пика. Обратите внимание, что ток, протекающий через нагрузку, не изменился даже при изменении полярности напряжения.

Full Wave Center-tapped Rectifier

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

Преимуществами этого выпрямителя являются более низкий коэффициент пульсаций и более высокий КПД, но необходимость трансформатора с центральным ответвлением вторичной обмотки является основным недостатком и делает схему более дорогостоящей.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Используя такое же вторичное напряжение, этот мостовой выпрямитель может почти вдвое увеличить выходное напряжение по сравнению с двухполупериодным трансформаторным выпрямителем с центральным ответвлением. Во время положительной половины входного переменного тока диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, а D3 и D4 - в обратном. Таким образом, ток нагрузки протекает через диоды D1 и D2. Во время отрицательного полупериода входные диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а D1 и D2 - в обратном. Следовательно, ток нагрузки протекает через диоды D3 и D4.

Full Wave Bridge Rectifier

Полноволновой мостовой выпрямитель

Однофазные полууправляемые выпрямители

В управляемых выпрямителях

для управления выходом используются тиристоры вместо диодов. Регулируя время срабатывания тиристоров (или MOSFET и IGBT), мы можем управлять напряжением и током через нагрузки, и этот процесс называется методом фазового управления выпрямлением.

Single Phase Half Controlled Rectifiers

Однофазные полууправляемые выпрямители

Схема однофазного полууправляемого выпрямителя показана ниже, где используются два диода и два тиристора, подключенные поперек нагрузки.Каждая ветвь состоит из одного двигателя и одного диода, и за каждую проводимость отвечают два компонента ветви. Однако тиристоры T1 и T3 или диоды D2 и D4 не могут вести себя одновременно.

Во время положительного полупериода входа T1 и D2 смещены в прямом направлении. При срабатывании T1 ток нагрузки протекает через T1 и D2. Если напряжение проходит через отрицательный переход через нуль входного напряжения, D4 переходит в проводимость, коммутируя D2, и тогда напряжение нагрузки становится равным нулю.

Half Controlled Rectifier Waveforms

Формы сигналов полууправляемого выпрямителя

Во время отрицательного полупериода T3 и D4 смещены в прямом направлении, и когда срабатывает T3, ток нагрузки начинает течь через T3 и D4. Аналогично, при переходе через нуль D2 переходит в проводимость, коммутируя D4. Как видно на рисунке ниже, ток нагрузки всегда остается выше нуля, это называется режимом непрерывной проводимости выпрямления постоянного тока. Также на рисунке показан прерывистый режим работы.

Однофазный полностью управляемый выпрямитель

Этот тип выпрямительной схемы на основе силовой электроники является наиболее популярным и широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.Эта схема получается путем замены всех диодов, используемых в неуправляемых или полууправляемых выпрямителях, на тиристоры, как показано на рисунке. Из схемы мы можем видеть, что один тиристор из верхней группы (T1, T3) и один тиристор из нижней группы (T2, T4) должны проводить ток нагрузки. Однако T1T3 или T2T4 не могут проводить одновременно.

Single Phase Fully Controlled Rectifier

Однофазный полностью управляемый выпрямитель

Во время положительного полупериода входного сигнала T1 и T2 смещены в прямом направлении, и когда они срабатывают или запускаются, они начинают проводить, так что ток нагрузки течет через них.Во время отрицательного полупериода входного переменного тока T3 и T4 находятся в состоянии прямой блокировки, и когда к ним применяется стробирующий импульс, они включаются, и через них начинает течь ток нагрузки. В то же время на T1 и T2 отрицательное напряжение вызывает немедленную коммутацию этих тиристоров. Этот процесс повторяется для каждого цикла, как показано на рисунке ниже.

Full Controlled Rectifier Waveforms

Форма сигналов полностью управляемого выпрямителя

Это несколько типов выпрямителей, которые часто используются в нескольких приложениях, включая все электронные и электрические проекты.В этой статье рассматривается только однофазный выпрямитель для облегчения понимания, а не для усложнения этого документа. Мы надеемся, что читатели могли лучше ответить на вопрос, что такое выпрямитель и его типы. Любые дальнейшие вопросы по этой теме или практическое руководство по созданию электронных проектов вы можете прокомментировать ниже.

Фото:

Просмотры сообщений: 12 894

.Диодные выпрямительные схемы

»Электроника

Цепи диодного выпрямителя

бывают самых разных форм: от простых диодов до полуволновых, двухполупериодных выпрямителей, схем с использованием мостовых выпрямителей, удвоителей напряжения и многих других.


Цепи диодного выпрямителя Включают: Цепи диодного выпрямителя
Полупериодный выпрямитель Двухполупериодный выпрямитель Двухдиодный двухполупериодный выпрямитель Двухполупериодный мостовой выпрямитель Синхронный выпрямитель


Диодные выпрямительные схемы - одна из ключевых схем, используемых в электронном оборудовании.Их можно использовать в импульсных источниках питания и линейных источниках питания, в демодуляции радиочастотного сигнала, измерении мощности радиосигнала и многом другом.

Существует несколько различных типов схем диодного выпрямителя, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки. Решение о том, какой тип диодной схемы использовать, зависит от конкретной ситуации.

Основы схемы диодного выпрямителя

Ключевым компонентом любой схемы выпрямителя, естественно, является используемый диод или диоды. Эти устройства уникальны тем, что пропускают ток только в одном направлении.Интересно, что Амброуз Флеминг, который изобрел первую форму диода, назвал свою версию клапаном из-за его одностороннего действия. Полупроводниковые диоды теперь выполняют ту же функцию, но занимают небольшую часть пространства и обычно составляют лишь небольшую часть стоимости.

Полупроводниковый диод имеет характеристики, похожие на показанные ниже. В прямом направлении требуется небольшое напряжение на диоде, прежде чем он станет проводящим - это называется напряжением включения. Фактическое напряжение зависит от типа диодного выпрямителя и используемого материала.Для стандартного выпрямителя с кремниевым диодом это напряжение включения составляет около 0,6 В. Германиевые диоды имеют напряжение включения около 0,2 - 0,3 В, а кремниевые диоды Шоттки имеют аналогичное напряжение включения в диапазоне 0,2 - 0,3 В

PN диод VI характеристика

В обратном направлении диодный выпрямитель окончательно выйдет из строя. Напряжение пробоя обычно значительно превышает напряжение включения - шкалы на диаграмме были изменены (сжаты) в обратном направлении, чтобы показать, что происходит обратный пробой.

Примечание о типах диодов:

Хотя основная функция диода остается прежней, существует много различных типов с немного разными характеристиками. Некоторые из них оптимизированы для выпрямления мощности, другие - для выпрямления сигналов, третьи используют диодный переход для излучения света или имеют переменную емкость и т. Д.

Подробнее о типах полупроводниковых диодов .

Для выпрямления мощности обычно используются силовые диоды или диоды Шоттки.Для выпрямления сигналов могут использоваться мелкоконтактные диоды, сигнальные диоды или диоды Шоттки. Преимущество диода Шоттки в том, что для прямой проводимости требуется только прямое напряжение около 0,2 - 0,3 вольт. Это особенно полезно при обнаружении слабых радиосигналов, а при использовании в качестве выпрямителя мощности потери мощности снижаются. Однако характеристики обратной утечки не так хороши, как у обычных кремниевых диодов.

Символ диода и упаковка

Обозначение диодной цепи широко известно.Диоды также входят в различные пакеты, хотя некоторые из наиболее распространенных форматов показаны на диаграмме ниже.

Обозначение диодной цепи

Диодный выпрямитель действия

Действие диода - пропускать ток только в одном направлении. Поэтому на диод подается переменная форма волны, тогда она допускает проводимость только более половины формы волны. Оставшаяся половина заблокирована.

Выпрямительное действие диода

Схемы диодного выпрямителя и конфигурации

Существует ряд различных конфигураций схемы диодного выпрямителя, которые можно использовать.Каждая из этих различных конфигураций имеет свои преимущества и недостатки и поэтому применима к различным приложениям.

  • Схема однополупериодного выпрямителя: Это самая простая форма выпрямителя. Часто использование только одного диода блокирует половину цикла и пропускает другой. Таким образом, используется только половина формы волны.

    Хотя преимуществом этой схемы является ее простота, недостатком является тот факт, что между последовательными пиками выпрямленного сигнала больше.Это делает сглаживание менее эффективным и затрудняет подавление пульсаций высокого уровня.

    Эта схема не используется для каких-либо источников питания - она ​​чаще используется для обнаружения сигналов и уровней.


  • Двухполупериодная схема выпрямителя: Эта форма выпрямительной схемы использует обе половины формы волны. Это делает эту форму выпрямителя более эффективной, и, поскольку в обеих частях цикла присутствует проводимость, сглаживание становится намного проще и эффективнее.Есть два типа выпрямителей с полным выпрямителем.

    • Двухдиодный двухдиодный двухполупериодный выпрямитель с ленточным трансформатором: Двухдиодная версия двухполупериодной схемы выпрямителя требует центрального отвода в трансформаторе. Когда использовались вакуумные трубки / термоэмиссионные клапаны, эта опция широко использовалась ввиду стоимости клапанов. Однако в случае полупроводников четырехдиодная мостовая схема позволяет сэкономить на стоимости трансформатора с центральным ответвлением и является столь же эффективной.


    • Мостовая схема полного выпрямителя: Это особая форма двухполупериодного выпрямителя, в котором используются четыре диода в мостовой топологии. Мостовые выпрямители широко используются, особенно для выпрямления мощности, и их можно получить как один компонент, содержащий четыре диода, соединенных в виде моста.

      В этом формате используются четыре диода, по два проводящих в каждой половине цикла. Это означает, что есть два падения напряжения на диодах, которые могут рассеивать некоторую мощность, но это экономит потребность в трансформаторе с центральным ответвлением, что дает значительную экономию затрат.Кроме того, диоды не обязательно должны иметь такое высокое номинальное обратное напряжение, как те, которые используются в конфигурации с двумя диодами.

      Ввиду того, что есть два падения напряжения на диодах, эта схема редко используется для обнаружения сигналов. Однако он очень подходит для использования в линейных источниках питания, а также во многих случаях в импульсных источниках питания.


  • Схема синхронного выпрямителя: Синхронные или активные выпрямители используют активные элементы вместо диодов для обеспечения переключения.Это позволяет избежать потерь в диодах и значительно повысить эффективность.

    Ввиду более высокого уровня эффективности, который могут обеспечить синхронные выпрямители, они очень широко используются в высокоэффективных импульсных источниках питания. Их сложность более чем перевешивается достижимым гораздо более высоким уровнем эффективности.


Принимая во внимание разнообразие различных типов выпрямительных схем, существует хороший выбор того, какой тип использовать.Во многих случаях это продиктовано требуемым уровнем производительности, и в большинстве случаев требуется двухполупериодный выпрямитель. Учитывая доступность и низкую стоимость мостовых выпрямителей, это, как правило, самый дешевый вариант, а не экономия на диодах и необходимость в центральном ленточном трансформаторе.

Из-за современных источников питания, требующих все более высокого уровня эффективности, многие разработчики обращаются к использованию синхронных выпрямителей. Хотя они более сложные и поэтому стоят дороже, эти затраты часто окупаются отдачей, которую они дают при повышении уровня эффективности.

Другие схемы и схемотехника:
Основы операционных усилителей Схемы операционных усилителей Цепи питания Конструкция транзистора Транзистор Дарлингтона Транзисторные схемы Схемы на полевых транзисторах Условные обозначения схем
Вернуться в меню «Конструкция схемы». . .

.Полуволновой выпрямитель

Принцип работы и характеристики

Выпрямитель - это электронное устройство, преобразующее переменное напряжение в постоянное. Другими словами, он преобразует переменный ток в постоянный. Выпрямитель используется практически во всех электронных устройствах. В основном он используется для преобразования сетевого напряжения в постоянное напряжение в блоке питания. При питании от постоянного тока работают электронные устройства. В зависимости от периода проводимости выпрямители подразделяются на две категории: полуволновой выпрямитель и полнополупериодный выпрямитель

Работа полуволнового выпрямителя

Во время положительного полупериода диод находится в состоянии прямого смещения и проводит ток в RL ( Сопротивление нагрузки).На нагрузке возникает напряжение, такое же, как входной сигнал переменного тока положительного полупериода.


Half wave Rectifier Circuit Working Half wave Rectifier Circuit Working Полупериодный выпрямитель работает

В качестве альтернативы, во время отрицательного полупериода диод находится в состоянии обратного смещения, и через диод не протекает ток. На нагрузке появляется только входное напряжение переменного тока, и это общий результат, который возможен в течение положительного полупериода. Выходное напряжение пульсирует постоянным напряжением.

Цепи выпрямителя

Однофазные цепи или многофазные цепи входят в состав цепей выпрямителя.Для бытовых применений используются однофазные выпрямительные схемы малой мощности, а для промышленных применений HVDC требуется трехфазное выпрямление. Наиболее важным применением диодов с PN переходом является выпрямление, и это процесс преобразования переменного тока в постоянный.

Полупериодное выпрямление

В однофазном полуволновом выпрямителе течет либо отрицательная, либо положительная половина переменного напряжения, а другая половина переменного напряжения блокируется. Следовательно, выходной сигнал принимает только половину волны переменного тока.Один диод требуется для однофазного полуволнового выпрямления и три диода для трехфазного питания. Полупериодный выпрямитель создает большее количество пульсаций, чем двухполупериодный выпрямитель, и для устранения гармоник он требует гораздо большей фильтрации.

PCBWay PCBWay
Single phase Half wave Rectifier Single phase Half wave Rectifier Однофазный однополупериодный выпрямитель

Для синусоидального входного напряжения выходное напряжение постоянного тока без нагрузки для идеального полуволнового выпрямителя составляет

Vrms = Vpeak / 2

Vdc = Vpeak / ᴨ

Где

  • Vdc, Vav - выходное напряжение постоянного тока или среднее выходное напряжение
  • Vpeak - пиковое значение входного фазного напряжения
  • Vrms - выходное напряжение среднеквадратичного значения

Работа в полуволновом режиме Выпрямитель

PN переходный диод проводит только в состоянии прямого смещения.Полупериодный выпрямитель использует тот же принцип, что и диод с PN переходом, и таким образом преобразует переменный ток в постоянный. В схеме однополупериодного выпрямителя сопротивление нагрузки включено последовательно с диодом с PN переходом. Переменный ток - это вход однополупериодного выпрямителя. Понижающий трансформатор принимает входное напряжение, и результирующий выходной сигнал трансформатора подается на нагрузочный резистор и диод.

Во время положительного полупериода диод находится в условиях прямого смещения. Во время отрицательного полупериода диод находится в состоянии обратного смещения.Выходное напряжение измеряется на сопротивлении нагрузки. Во время положительных полупериодов выход положительный и значительный. А во время отрицательного полупериода выход равен нулю или незначителен. Это известно как полуволновое выпрямление.

Работа полуволнового выпрямителя

Во время положительного полупериода, когда вторичная обмотка верхнего конца положительна по отношению к нижнему концу, диод находится в состоянии прямого смещения и проводит ток. Во время положительных полупериодов входное напряжение прикладывается непосредственно к сопротивлению нагрузки, когда прямое сопротивление диода предполагается равным нулю.Формы сигналов выходного напряжения и выходного тока такие же, как у входного переменного напряжения.

Во время отрицательного полупериода, когда вторичная обмотка нижнего конца положительна относительно верхнего конца, диод находится в состоянии обратного смещения и не проводит ток. Во время отрицательного полупериода напряжение и ток на нагрузке остаются равными нулю. Величина обратного тока очень мала, и ею пренебрегают. Таким образом, во время отрицательного полупериода мощность не подается.

Серия положительных полупериодов - это выходное напряжение, возникающее на сопротивлении нагрузки. Выходной сигнал представляет собой пульсирующую волну постоянного тока, и для создания плавных выходных волновых фильтров, которые должны проходить через нагрузку, используются. Если входная волна имеет полупериод, то он известен как полуволновой выпрямитель.

Цепи трехфазного полуволнового выпрямителя

Трехфазный полуволновой неуправляемый выпрямитель требует трех диодов, каждый из которых подключен к одной фазе. Схема трехфазного выпрямителя страдает от высокого уровня гармонических искажений в соединениях постоянного и переменного тока.Выходное напряжение на стороне постоянного тока выдает три различных импульса за цикл.

Three Phase Half wave Rectifier Three Phase Half wave Rectifier Трехфазный полуволновой выпрямитель
Характеристики полуволнового выпрямителя

Характеристики полуволнового выпрямителя для следующих параметров

PIV (пиковое обратное напряжение)

В состоянии обратного смещения диод имеет выдерживать из-за максимального напряжения. Во время отрицательного полупериода ток через нагрузку не протекает. Таким образом, на диоде появляется полное напряжение, потому что нет падения напряжения через сопротивление нагрузки.

PIV полуволнового выпрямителя = В SMAX

Средние и пиковые токи в диоде

Предположим, что напряжение на вторичной обмотке трансформатора синусоидально, а его пиковое значение составляет В SMAX . Мгновенное напряжение, которое подается на однополупериодный выпрямитель, составляет

Vs = V SMAX Sin wt

Ток, протекающий через сопротивление нагрузки, составляет

I MAX = V SMAX / (R F + R L )

Регулировка

Регулировка - это разница между напряжением холостого хода и напряжением полной нагрузки по отношению к напряжению полной нагрузки, а регулирование напряжения в процентах дается как

% Регулирование = {(Vno-load - Vfull-load) / Vfull-load} * 100

КПД

Отношение входного переменного тока к выходному постоянному току известно как КПД (?).

? = Pdc / Pac

Мощность постоянного тока, подаваемая на нагрузку, составляет

Pdc = I 2 dc R L = (I MAX / ᴨ) 2 R L

Входная мощность переменного тока трансформатора,

Pac = Рассеиваемая мощность в сопротивлении нагрузки + рассеиваемая мощность в переходном диоде

= I 2 rms R F + I 2 rms R L = {I 2 MAX /4} [R F + R L ]

? = Pdc / Pac = 0.406 / {1 + R F / R L }

КПД полуволнового выпрямителя составляет 40,6%, если пренебречь R F .

Коэффициент пульсаций (γ)

Содержание пульсаций определяется как количество переменного тока, присутствующего в выходном постоянном токе. Если коэффициент пульсаций меньше, производительность выпрямителя будет больше. Значение коэффициента пульсаций для полуволнового выпрямителя составляет 1,21.

I 2 = I 2 dc + I 2 1 + I 2 2 + I 2 4 = I 2 dc + I 2 ac

γ = I ac / I dc = (I 2 - I 2 dc ) / I dc = {(I rms / I 2 dc ) / Idc = {(I rms / I 2 dc ) -1} = k f 2 -1)

Где kf - коэффициент формы

kf = Irms / Iavg = (Imax / 2) / (Imax / ᴨ) = ᴨ / 2 = 1.57

Итак, γ = (1,572 - 1) = 1,21

Коэффициент использования трансформатора (TUF)

Он определяется как отношение мощности переменного тока, подаваемой на нагрузку, и номинальных значений переменного тока вторичной обмотки трансформатора. TUF полуволнового выпрямителя составляет около 0,287.

Преимущества полуволнового выпрямителя
  • Дешевый
  • Простой
  • Простой в использовании
  • Небольшое количество компонентов
Недостатки полуволнового выпрямителя
  • Большее количество пульсаций
  • Коэффициент использования трансформатора очень низкий
  • Низкая эффективность выпрямления
  • Генерирует гармоники

Это все о схеме полуволнового выпрямителя и работе с ее характеристиками.Мы считаем, что информация, представленная в этой статье, поможет вам лучше понять этот проект. Кроме того, по любым вопросам, касающимся этой статьи или любой помощи в реализации проектов в области электротехники и электроники, вы можете свободно обращаться к нам, оставляя комментарии в разделе комментариев ниже. Вот вам вопрос, какова основная функция однополупериодного выпрямителя?

Фото:

.

Прецизионные выпрямители

Прецизионные выпрямители
ESP Logo
Продукты Elliott Sound АН-001
Род Эллиотт (ESP)
App. Note Index Прил. Индекс банкнот
ESP Home Основной указатель

Первое и второе правила операционных усилителей

Чтобы понять большую часть следующего, основные правила операционных усилителей должны прочно укорениться в голове читателя.Я придумал их много лет назад, и - игнорируя небольшие ошибки, вызванные конечным коэффициентом усиления, входным и выходным сопротивлениями - все схемы операционных усилителей имеют смысл, если эти правила поняты. Они также более подробно рассматриваются в статье «Проектирование с помощью операционных усилителей». Настоятельно рекомендуется, если вы хоть немного не уверены.

Два правила заключаются в следующем ...
  1. Операционный усилитель будет пытаться сделать оба входа одинаковым напряжением (через цепь обратной связи)
  2. Если не удается достичь # 1, выход примет полярность самого положительного входа

Эти два правила описывают все, что операционный усилитель делает в любой цепи , без исключений... при условии, что операционный усилитель работает в пределах своих нормальных параметров . Это означает, что напряжение (я) источника питания должно соответствовать техническим характеристикам, напряжение сигнала находится в допустимом диапазоне, а полное сопротивление нагрузки должно быть равно или больше указанного минимума. Частота сигнала также должна быть достаточно низкой, чтобы операционный усилитель мог нормально работать с выбранным усилением. Для большинства дешевых операционных усилителей коэффициент усиления 100 при частоте 1 кГц следует считать максимально допустимым, поскольку коэффициент усиления разомкнутого контура операционного усилителя может быть недостаточно высоким, чтобы обеспечить более высокое усиление или частоту.

Вооружившись этими правилами и базовым пониманием закона Ома и аналоговой схемы, можно понять, что будет делать любая схема операционного усилителя при всех нормальных рабочих условиях. Излишне говорить, что правила больше не применяются, если сам операционный усилитель неисправен или работает за пределами своих нормальных параметров (как вкратце обсуждалось выше).


Полуволновой прецизионный выпрямитель

Есть много применений для прецизионных выпрямителей, и хотя большинство из них подходят для использования в аудиосхемах, я подумал, что лучше всего сделать это первой заметкой по применению ESP.Хотя некоторые из существующих проектов в разделе аудио имеют довольно слабую связь со звуком, эта информация, скорее всего, будет использоваться для инструментальных целей, чем в чистых аудиоприложениях.

Как правило, прецизионный выпрямитель обычно не используется для управления движениями аналогового счетчика, поскольку обычно существуют более простые методы управления плавающими нагрузками, такими как счетчики. Прецизионные выпрямители чаще встречаются там, где требуется некоторая степень постобработки, питание боковой цепи компрессоров и лимитеров или управление цифровыми счетчиками.

Существует несколько различных типов прецизионных выпрямителей, но прежде чем мы продолжим, необходимо объяснить, что на самом деле представляет собой прецизионный выпрямитель. В своей простейшей форме полуволновой прецизионный выпрямитель реализован с использованием операционного усилителя и включает диод в контур обратной связи. Это эффективно нейтрализует прямое падение напряжения на диоде, поэтому сигналы очень низкого уровня (намного ниже прямого напряжения диода) могут быть исправлены с минимальной ошибкой.

Самая простая форма показана на рисунке 1, и хотя она действительно работает, у нее есть некоторые серьезные ограничения.Главный из них - скорость - с высокочастотными сигналами работать не будет. Чтобы понять причину, нам нужно внимательно изучить схему. Эти знания применимы ко всем последующим схемам и объясняют причину кажущейся сложности.


Рисунок 1 - Прецизионный полуволновой выпрямитель базовой комплектации

Для низкочастотного положительного входного сигнала применяется 100% отрицательная обратная связь, когда диод проводит. Прямое напряжение эффективно снимается обратной связью, а инвертирующий вход почти идеально следует положительной половине входного сигнала.Когда входной сигнал становится отрицательным, у операционного усилителя нет обратной связи, поэтому выходной контакт операционного усилителя качается в отрицательную сторону, насколько это возможно. Если предположить, что напряжение питания составляет 15 В, это означает, возможно, -14 В на выходе операционного усилителя.

Когда входной сигнал снова станет положительным, выходному напряжению операционного усилителя потребуется определенное время, чтобы вернуться к нулю, а затем смещать диод в прямом направлении и формировать выходной сигнал. Это время определяется скоростью нарастания операционного усилителя, и даже очень быстрый операционный усилитель будет ограничен низкими частотами - особенно для низких входных уровней.Испытательное напряжение для представленных сигналов составляло 20 мВ при 1 кГц. Хотя схема действительно работает очень хорошо, она ограничена относительно низкими частотами (менее 10 кГц) и становится приемлемо линейной только выше 10 мВ или около того (зависит от операционного усилителя).

Обратите внимание на колебания на выпрямленном выходе. Это (более или менее) реально и было подтверждено реальной (в отличие от смоделированной) схемы. Это результат того, что операционный усилитель становится разомкнутым с отрицательными входами. В большинстве случаев это не проблема.


Рисунок 2 - Выпрямленный выход и выход операционного усилителя

На рис. 2 показан сигнал на выходе (слева) и на выходе операционного усилителя (справа). Время восстановления очевидно по выпрямленному сигналу, но реальный источник проблемы очевиден по огромному перепаду напряжения перед диодом. Хотя это не имеет большого значения для сигналов высокого уровня, это вызывает значительную нелинейность для низких уровней, таких как сигнал 20 мВ, используемый в этих примерах.

Схема улучшена путем реконфигурации, как показано на рисунке 3.Дополнительный диод предотвращает качание выходного сигнала операционного усилителя на отрицательную шину питания, а линейность низкого уровня значительно улучшается. Сигнал 2 мВ (пик) выпрямляется с достаточно хорошей точностью. Хотя операционный усилитель по-прежнему работает без обратной связи в точке, где входной сигнал меняется с положительного на отрицательный или наоборот, диапазон ограничен диодом и резистором. Таким образом, время восстановления намного короче.


Рисунок 3 - Полуволновой выпрямитель повышенной точности

Эта схема также имеет свои ограничения.Входное сопротивление теперь определяется входным резистором, и, конечно, это сложнее, чем в базовой версии. Он должен питаться от источника с низким сопротивлением. Не так очевидно, но схема на Рисунке 3 также имеет определенное выходное сопротивление нагрузки (равное R2), поэтому, если эта схема будет использоваться для зарядки конденсатора, конденсатор разрядит через R2. Хотя может показаться, что та же проблема существует и в простой версии, R2 (на рис. 1) на самом деле можно не использовать, что предотвращает разряд конденсатора.Точно так же входной резистор (R1), показанный на рисунке 1, также является дополнительным и необходим только в том случае, если нет пути постоянного тока к земле.


Полноволновые прецизионные выпрямители

На рис. 4 показана стандартная двухполупериодная версия прецизионного выпрямителя. Эта схема очень распространена и в значительной степени является учебной версией. Он существует уже очень давно, и я бы добавил ссылку на него, если бы знал, откуда он возник. Допуск R1, 2, 3, 4 и 5 имеет решающее значение для хорошей производительности, и все пять резисторов должны быть 1% или лучше.Обратите внимание, что диоды подключены для получения положительного выпрямленного сигнала. Второй этап меняет полярность сигнала. Чтобы получить улучшенную высокочастотную характеристику, следует уменьшить номиналы резисторов.


Рисунок 4 - Прецизионный полноволновой выпрямитель

Эта схема чувствительна к импедансу источника, поэтому важно убедиться, что она питается от низкого импеданса, такого как буферный каскад операционного усилителя. Входное сопротивление, как показано, составляет 6,66 кОм, и любое дополнительное последовательное сопротивление на входе вызовет ошибки в выходном сигнале.Входное сопротивление линейное. Как показано, и с использованием операционных усилителей TL072, схема на Рисунке 4 имеет хорошую линейность вплоть до пары мВ на низких частотах, но имеет ограниченную высокочастотную характеристику. Если вам нужна более высокая чувствительность и / или более высокие частоты, рекомендуется использовать высокоскоростные диоды, более низкие значения сопротивления и более быстрые операционные усилители.


Альтернатива (Analog Devices)

Малоизвестный вариант двухполупериодного выпрямителя был опубликован Analog Devices в Application Brief AB-109 [1].В оригинале JFET использовался в качестве выпрямителя для D2, хотя в этом нет необходимости, если допустима небольшая нелинейность низкого уровня. Резисторы, отмеченные звездочкой (*), должны быть согласованы, хотя для нормального использования допускается допуск в 1%. C1 может понадобиться для предотвращения колебаний.


Рисунок 5 - Исходная схема Analog Devices

В исходной инструкции по применению было указано, что прямое падение напряжения для D2 (полевого транзистора) должно быть меньше, чем для D1, хотя причина не была указана.Оказывается, это может иметь значение для сигналов очень низкого уровня, но, похоже, мало или не имеет никакого значения для разумных уровней (выше 20 мВ или около того).


Упрощенная альтернатива

Для большинства приложений схема, показанная на рисунке 6, будет более чем приемлемой. Линейность очень хорошая при 20 мВ, но скорость все еще ограничена операционным усилителем. Чтобы получить наилучшие характеристики на высоких частотах, используйте очень быстрый операционный усилитель и уменьшите номиналы резисторов.


Рисунок 6 - Упрощенная версия схемы AD

Практически невозможно сделать двухполупериодный прецизионный выпрямитель проще, а показанная схема удовлетворяет большинству низкочастотных приложений.Если необходимо исправить очень низкие уровни, рекомендуется сначала усилить сигнал. Хотя использование диодов Шоттки (или германиевых) улучшит характеристики низкого уровня и / или высоких частот, неразумно ожидать идеальной линейности от любой схемы выпрямителя на чрезвычайно низких уровнях. Возможна работа до 100 кГц и более при использовании быстрых операционных усилителей и диодов. R1 не является обязательным и необходим только в том случае, если источник связан по переменному току, поэтому возможно чрезвычайно высокое входное сопротивление (без нелинейности).C1 может понадобиться для предотвращения колебаний.

Упрощенная версия, показанная выше (рис. 6), также находится в примечании к приложению Burr-Brown [3] .


Другая версия

Чисто случайно нашел в схеме фазометра следующий вариант. Эта версия используется в более старых микшерах SSL (Solid Stage Logic) как часть измерителя фазовой корреляции. Эта схема существует в сети в нескольких сообщениях на форуме и на одном неавторизованном сайте, где повторно публикуются несколько схем SSL.Первоначальный рисунок, который я нашел, датирован 1984 годом. На него также есть ссылки в статье Берра-Брауна 1973 года и в учебнике по электронике [5, 6] .


Рисунок 6A - Другая версия схемы AD

Хотя изначально он выглядит совершенно по-другому, это просто из-за того, как он нарисован (я скопировал чертеж оригинала). Эта версия интересна тем, что вход не только инвертирующий, но и дает возможность выпрямителю получить усиление.Инвертирующий вход не имеет значения (в конце концов, это двухполупериодный выпрямитель), но это означает, что входное сопротивление ниже, чем обычно ... хотя вы, конечно, можете сделать все значения резисторов выше. Входной импеданс равен значению R1 и является линейным до тех пор, пока операционный усилитель работает в своих пределах.

Если R1 сделать ниже R2 и R3, схема имеет усиление. Если R1 на выше , чем R2 и R3, схема может принимать более высокие входные напряжения, потому что она действует как аттенюатор.Например, если R1 равно 1 кОм, схема имеет коэффициент усиления 10, а если 100 кОм, коэффициент усиления равен 0,1 (ослабление 10). Применяются все обычные ограничения операционных усилителей, поэтому при использовании высокого усиления частотная характеристика будет затронута. C1 не является обязательным - вам может потребоваться включить его, если цепь колеблется. Значение обычно находится в диапазоне от 10 пФ до 100 пФ, в зависимости от необходимой скорости и схемы схемы.

Одним из интересных результатов использования инвертирующей топологии является то, что входной узел является «виртуальной землей», и это позволяет схеме суммировать несколько входов.R1 может быть продублирован, чтобы дать другой вход, и это может быть расширено. В исходной схеме SSL использовались два таких выпрямителя с четырьмя входами каждый. Помните, что это то же самое, что и работа первого операционного усилителя с коэффициентом усиления четыре, поэтому высокочастотная характеристика может быть затронута без вашего ведома.

Схемы, показанные на рисунках 6 и 6A, представляют собой простейшие высокопроизводительные двухполупериодные выпрямители, с которыми я встречался, и наиболее подходят для общей работы со звуковыми частотами. В большинстве приложений вы увидите схему на рис. 4, потому что она существует уже давно и большинству разработчиков она хорошо известна.Тем не менее, это определенно не лучший исполнитель и не имеет преимуществ перед более простыми альтернативами, показанными на рис. 6 и 6А, но он использует больше деталей и имеет сравнительно низкий входной импеданс.


Другой прецизионный выпрямитель (Intersil)

Простая схема прецизионного выпрямителя была опубликована Intersil [2] . Это интересный вариант, потому что он использует операционный усилитель с одним питанием, но при этом дает двухполупериодное выпрямление с указанием заземления на входе и выходе.К сожалению, указанный операционный усилитель не особенно распространен, хотя могут использоваться и другие устройства. CA3140 - это достаточно быстрый операционный усилитель со скоростью нарастания напряжения 7 В / мкс. Я предоставлю читателю возможность определить подходящие типы (кроме предложенных ниже). Существенные особенности заключаются в том, что два входа должны работать при напряжении ниже нуля (обычно -0,5 В), а на выходе также должно быть напряжение, близкое к нулю.


Рисунок 7 - Схема оригинального прецизионного выпрямителя Intersil

Во время положительного цикла входа сигнал напрямую подается через сеть обратной связи на выход.Фактически, R3 состоит из самого R3 плюс установленное значение VR2. Номинальное значение пары составляет 15 кОм, и от VR2 обычно можно отказаться, если использовать прецизионные резисторы (R3 и VR2 заменены одним резистором 15 кОм).

Это дает передаточную функцию ...

Усиление = 1 / (1 + ((R1 + R2) / R3)) ... 0,5 со значениями, указанными выше
Таким образом, вход

1V даст выходное напряжение 0,5 В. Во время этого положительного полупериода входа диод отключает выход операционного усилителя, который находится на нулевом (или близком к нему) уровне.Обратите внимание, что в примечании к применению показано другое уравнение усиления, которое неверно. Уравнение, показанное выше, работает.

Во время отрицательного полупериода входного сигнала CA3140 функционирует как обычный инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления, равным - (R2 / R1) ... 0,5, как показано. Поскольку инвертирующий вход представляет собой виртуальную точку заземления, во время отрицательного входа он остается на уровне или очень близком к нулю вольт. Когда два уравнения усиления равны, выход полной волны симметричен. Обратите внимание, что выход не буферизован, поэтому выход должен быть подключен только к высокоимпедансному каскаду, с импедансом намного выше, чем R3.


Рисунок 8 - Модифицированная схема Intersil с использованием общего ОУ

Там, где для низкочастотных сигналов необходим простой прецизионный выпрямитель с низким выходным сопротивлением (возможно, до 10 кГц в качестве верхнего предела), упрощенная версия, приведенная выше, прекрасно справится с этой задачей. Требуется входное напряжение не менее 100 мВ, потому что нет компенсации смещения постоянного тока. Ожидайте около 30 мВ постоянного тока на выходе при отсутствии сигнала. Поскольку LM358 является двойным операционным усилителем, вторую половину можно использовать в качестве буфера, обеспечивая низкий выходной импеданс.Вторую половину операционного усилителя можно использовать как усилитель, если вам нужен более высокий уровень сигнала. Минимальное рекомендуемое входное напряжение составляет около 100 мВ пикового значения (71 мВ RMS), что дает среднее выходное напряжение 73 мВ. Более высокие входные напряжения обеспечат большую точность, но максимальное значение немного ниже 10 В RMS при напряжении питания 15 В постоянного тока, как показано. LM358 не особенно быстр, но доступен по невысокой цене.

Ограничения: Обратите внимание, что входное сопротивление этой топологии выпрямителя нелинейно.Импеданс цепи управления очень высок для положительных полупериодов, но только 10 кОм для отрицательных полупериодов. Это означает, что он должен питаться от источника с низким импедансом - обычно от другого операционного усилителя. Это увеличивает общую сложность финальной схемы. Обратите внимание, что симметрию можно улучшить, изменив значение R3. Его можно сделать регулируемым с помощью триммера 20k (желательно многооборотного). В этом нет необходимости, если входное напряжение меньше 100 мВ, а оптимальная настройка зависит от напряжения сигнала.


Прецизионный выпрямитель с однополярным питанием (B-B / TI)

Интересный вариант был показан в примечании к приложению Burr-Brown [3] . Этот выпрямитель работает от однополярного источника питания, но принимает вход переменного тока с нормальным заземлением. Единственным ограничением является то, что входящий пиковый сигнал переменного тока должен быть ниже напряжения питания (обычно + 5 В для OPA2337 или OPA2340). Используемые операционные усилители должны работать по схеме «rail-to-rail», а входы также должны принимать сигнал нулевого напряжения, не вызывая потери управления операционным усилителем.

Схема интересна по ряду причин, не в последнюю очередь из-за того, что в ней используется совершенно иной подход, чем в большинстве других показанных. Выпрямитель не входит в основной контур обратной связи, как все остальные показанные, но использует идеальный диод (созданный U1B и D1) на неинвертирующем входе, и он находится вне контура обратной связи.


Рисунок 9 - Схема Берра-Брауна с использованием предлагаемого операционного усилителя

Для положительного входного сигнала операционный усилитель (U1A) может работать только как буфер с единичным усилением, поскольку оба входа управляются положительно.И неинвертирующий, и инвертирующий входы имеют идентичный сигнал, условие, которое может быть достигнуто только в том случае, если выход также идентичен. Если выходной сигнал попытается отличаться, это вызовет смещение на инвертирующем входе, которое исправит операционный усилитель. Стоит вспомнить мои правила операционных усилителей, описанные в начале этого приложения. нота.

Для отрицательного входного сигнала идеальный диод (D1 и U2B) предотвращает опускание неинвертирующего входа ниже нуля вольт. Если это произойдет, операционный усилитель больше не сможет нормально работать, поскольку входное напряжение выходит за рамки нормальных рабочих условий.Операционный усилитель (U1A) теперь функционирует как единичный коэффициент усиления , инвертирующий буфер , при этом инвертирующий вход поддерживает нулевое напряжение с помощью контура обратной связи. Если через резистор R1 протекает -10 мкА, операционный усилитель гарантирует, что через резистор R2 протекает ток +10 мкА, тем самым поддерживая инвертирующий вход на уровне 0 В по мере необходимости.

Ограничения: Входное сопротивление нелинейно, имеет почти бесконечное сопротивление для положительных полупериодов и входное сопротивление 5 кОм для отрицательных полупериодов. Вход должен быть подключен к заземленному (заземленному) источнику с низким сопротивлением.Источники с конденсаторной связью особенно проблематичны из-за сильно различающихся импедансов для положительных и отрицательных сигналов. Максимальное сопротивление источника для входного сигнала с конденсаторной связью составляет 100 Ом для схемы, как показано (одна сотая от значений резистора, используемых для схемы), и предпочтительно меньше. Емкость выбирается для самой низкой интересующей частоты.


Простой полноволновой выпрямитель

Этот выпрямитель является чем-то необычным, поскольку на самом деле это не прецизионный выпрямитель, а - двухполупериодный.Это интересная схема - достаточно, чтобы ее можно было включить, даже если ее никто никогда не использует. Этот выпрямитель использовался как часть генератора [4] и интересен своей кажущейся простотой и широкой полосой пропускания даже с довольно простыми операционными усилителями.

Моделирование с использованием операционных усилителей TL072 показывает, что даже при крошечном пиковом входном сигнале 5 мВ (3,5 мВ RMS) частотная характеристика простирается далеко за пределы 10 кГц, но для сигналов низкого уровня можно увидеть серьезную нелинейность амплитуды.В исходной статье выпрямитель даже не упоминался, да и подробностей не приводилось. Однако мне удалось определить сильные и слабые стороны с помощью моделирования. Конечно, при использовании могут проявиться дополнительные недостатки. Читатель с тех пор указал на то, что я должен был увидеть (но, очевидно, не увидел) - R3 должен быть установлен , а не . Без R3 линейность намного лучше, чем ожидалось.

Неизвестно, почему R3 был включен в оригинальную конструкцию JLH, но в случае схемы стабилизации генератора это спорный вопрос.Схема всегда будет иметь более или менее одинаковое входное напряжение, и нелинейность напряжения не является проблемой.


Рисунок 10 - Простой прецизионный полноволновой выпрямитель

Одна вещь, которая является абсолютно важной для разумной работы схемы при низких уровнях сигнала, - это то, что все диоды должны быть согласованы и иметь отличный тепловой контакт друг с другом. Фактическое прямое напряжение диодов не имеет значения, но все они должны быть идентичны. Нижний предел уровня сигнала определяется тем, насколько хорошо вы согласовываете диоды и насколько хорошо они отслеживают друг друга при изменении температуры.

Первый каскад позволяет выпрямителю иметь высокое входное сопротивление (R1 составляет 10 кОм только в качестве примера). Номинальное усиление, как показано, равно 1 (с закороченным R3). R3 был включен в исходную схему, но на самом деле это действительно плохая идея, поскольку он нарушает линейность схемы. Без него схема очень линейная в диапазоне 60 дБ. Этого более чем достаточно для любой аналоговой измерительной системы.

Ограничения: Линейность очень хорошая, но для схемы требуются точно согласованные диоды для низкого уровня, потому что падение напряжения на диоде на первом этапе (D1 и D2) используется для компенсации падений напряжения D3 и D4.При входном напряжении выше вольта или около того нелинейности вряд ли вызовут проблему, но согласование диодов по-прежнему важно (IMO). Низкоуровневые характеристики будут плохими, если точное согласование прямого напряжения диода и температуры не будет на должном уровне. Разница прямого напряжения между любыми двумя диодами всего 10 мВ приведет к недопустимой ошибке. Общая линейность значительно хуже, если включить R3.

Простое конденсаторное сглаживание нельзя использовать на выходе, потому что выход напрямую из операционного усилителя, поэтому для получения плавного выхода постоянного тока необходим отдельный интегратор.Это относится и к большинству других схем, показанных здесь, и не является серьезным ограничением.


Простой полноволновой измеритель-усилитель

Последняя схема представляет собой прецизионный двухполупериодный выпрямитель, но, в отличие от других показанных, он специально разработан для движения измерителя с подвижной катушкой. Выходного напряжения как такового нет, но схема выпрямляет входящий сигнал и преобразует его в ток для управления счетчиком. Это общее устройство является (или было) чрезвычайно распространенным, и его можно было найти в аудиомилливольтметрах, анализаторах искажений, измерителях уровня громкости и в любом другом месте, где напряжение переменного тока необходимо было отображать на измерителе с подвижной катушкой.Цифровые измерители заменили его в большинстве случаев, но он все еще полезен, и есть некоторые места, где измеритель с подвижной катушкой является лучшим дисплеем для этой цели. Этот тип выпрямительной схемы более подробно обсуждается в AN002.


Рисунок 11 - Усилитель счетчика с подвижной катушкой

Схема представляет собой преобразователь напряжения в ток, и при R2, равном 1 кОм, как показано, ток составляет 1 мА / В. Если на вход подается синусоида 1 В RMS, измеритель покажет среднее значение , что составляет 900 мкА.Регулировка R2 изменяет чувствительность, а изменение R2 на 900 Ом означает, что измеритель будет показывать 1 мА для каждого вольта (RMS) на входе. Это предполагает наличие измерителя с катушкой с достаточно низким сопротивлением, хотя теоретически схема компенсирует любое последовательное сопротивление.

Схема этого типа почти всегда имеет R2, состоящий из фиксированного значения и подстроечного резистора, поэтому измеритель можно откалибровать. Хотя показано с ИС операционного усилителя, схема усиления часто будет дискретной, чтобы она могла пропускать столько тока, сколько необходимо, а также иметь достаточно широкую полосу пропускания для этой цели.Милливольтметрам и анализаторам искажений, в частности, часто требуется расширенный отклик (обычно 100 кГц или более), а некоторые ИС операционных усилителей способны обеспечить достаточно широкую полосу пропускания, чтобы хорошо работать с чем-либо, намного превышающим 15 кГц. Проблема усугубляется при низких уровнях, потому что выход операционного усилителя должен очень быстро качаться, чтобы преодолеть прямое падение напряжения на диоде. Обычно параллельно с движением используется конденсатор, чтобы обеспечить демпфирование, но это также меняет калибровку.

Ограничения: Выход имеет очень высокий импеданс, поэтому движение измерителя не затухает, если параллельно не используется конденсатор.Затем измеритель покажет пиковое значение, которое может быть нежелательным в зависимости от приложения.

Как уже отмечалось, операционный усилитель должен быть очень быстрым. Линейность хорошая, если используемый усилитель имеет широкую полосу пропускания. Схема лучше работает с низкопороговыми диодами (например, Шоттки или германиевыми), которые не нужно согласовывать, потому что схема использует ток , , а не напряжение. Кроме того, только работает по назначению с измерителем с подвижной катушкой и не подходит для управления цифровыми панельными измерителями или другими электронными схемами.Это , можно сделать и , но в этом нет смысла, поскольку схема будет намного сложнее, чем другие, показанные здесь.


Заключение

Хотя формы сигналов и тесты, описанные выше, были смоделированы, схема, показанная на рисунке 6, была построена на моей тестовой плате операционного усилителя. На этой плате используются LM1458 - очень медленные и чрезвычайно обычные операционные усилители, но схема работает с очень хорошей линейностью от ниже 20 мВ до 2 В RMS, и на всех уровнях безупречно работает до 35 кГц с использованием резисторов 1 кОм.Варианты рисунка 11 использовались в нескольких опубликованных проектах и ​​в испытательном оборудовании, которое я построил за эти годы.

Одна вещь, которая стала очень очевидной, - это то, что схема на рис. 6 очень нетерпима к паразитной емкости, включая емкостную нагрузку на выходе. Таким образом, строительство имеет решающее значение, хотя добавление небольшой крышки (как показано на рисунках 5 и 6) в некоторой степени поможет. Я не знаю, почему эта схема не превзошла «стандартную» версию на рис. 4, но эта стандартная реализация все еще кажется стандартной, несмотря на ее многочисленные ограничения.Главными из них являются количество деталей и необходимость в источнике с низким импедансом, что обычно означает другой операционный усилитель. Ограничение импеданса не существует в альтернативной версии, и это намного проще.

Альтернативы Intersil и Burr-Brown полезны, но оба имеют низкий (и нелинейный) входной импеданс. У них есть преимущество использования одного источника питания, что делает оба более подходящими для оборудования с батарейным питанием или вместе с логической схемой. Помните, что все версии (рисунки 7, 8 и 9) должны приводиться в действие от источника с низким импедансом, а схема на рисунке 7 также должна сопровождаться буфером, поскольку он имеет высокое выходное сопротивление.

В целом, схема с рисунком 6 является наиболее полезной. Он прост, имеет очень высокий (и линейный) входной импеданс, низкий выходной импеданс и хорошую линейность в пределах частот операционных усилителей. Вариант с рисунком 6А также полезен, но имеет более низкий входной импеданс и требует 2 дополнительных резистора (R1 на рис. 6 не требуется, если сигнал привязан к земле).

Приведенные выше схемы показывают, сколько разных схем можно применить для выполнения (по сути) одной и той же задачи.У каждого есть свои преимущества и ограничения, и разработчик несет ответственность за выбор топологии, которая лучше всего подходит для приложения. Здесь не показана, но такая же реальная и важная - это версия программного обеспечения. Цифровые сигнальные процессоры (DSP) могут выполнять выпрямление, преобразование в среднеквадратичное значение и почти все, что вам нужно, но они применимы только в преимущественно цифровых системах.

Со всеми этими схемами невозможно ожидать более 50 дБ динамического диапазона с хорошей линейностью.Это дает диапазон от 10 мВ до 3,2 В (пиковое или среднеквадратичное) при напряжении питания ± 12-15 В. Использование прецизионных высокоскоростных операционных усилителей может увеличить это, но если они отображаются на аналоговом измерителе (с подвижной катушкой), вы все равно не сможете прочитать такой большой диапазон - даже 40 дБ сложно. 100: 1 (от полной шкалы до минимума) нелегко прочитать на большинстве аналоговых механизмов - даже если предположить, что само движение является линейным на уровне 100-й от его номинального тока FSD.

Многие из показанных схем имеют выходы с низким импедансом, поэтому форму выходного сигнала можно усреднить с помощью резистора и конденсаторного фильтра.Значение, отображаемое на крышке фильтра, является средним значением выпрямленного сигнала - для синусоиды среднее значение рассчитывается как ...

V AVG = (2 * V пик ) / π или ...
V AVG = V пик * 0,637

Оказывается, среднеквадратичное значение синусоиды (достаточно близко) к среднему значению, умноженному на 1,11 (обратное значение 0,9), и это позволяет достаточно легко преобразовать одно в другое. Тем не менее, только дает точные показания с синусоидой и показывает серьезные ошибки с более сложными формами сигналов.Чтобы увидеть, насколько велика погрешность, см. AN012, который описывает методы преобразования истинных среднеквадратичных значений и включает таблицу, показывающую погрешность для несинусоидальных сигналов.


Список литературы
  1. Analog Devices, Краткие сведения по применению, AB-109, Джеймс Вонг.
  2. Intersil CA3140 / CA3140A, таблица данных (таблица данных, инструкция по применению, 11 июля 2005 г., стр. 18), Intersil CA3140
  3. SBOA068 - Прецизионные схемы абсолютных значений - Дэвид Джонс и Марк Ститт, Burr-Brown (теперь Texas Instruments)
  4. Осциллятор Вина с низким уровнем гармонических искажений, J.Л. Линсли-Худ, Wireless World, май 1981 г.
  5. Применение операционных усилителей, методы третьего поколения - Джеральд Грэм, Burr-Brown, 1973, стр. 123-124
  6. Микроэлектроника: цифровые и аналоговые схемы и системы (международное студенческое издание), Автор: Джейкоб Миллман, Издатель: McGraw Hill, 1979 г. (Глава 16.8, рис. 16-27)


App. Note Index Прил. Индекс банкнот
ESP Home Основной индекс
Уведомление об авторских правах. Эта статья, включая, но не ограничиваясь, весь текст и диаграммы, является интеллектуальной собственностью Рода Эллиотта и защищена авторским правом © 2004 - 2009. Воспроизведение или переиздание любыми средствами, электронными, механическими или электромеханическими, разрешены. строго запрещено международными законами об авторском праве. Автор (Род Эллиотт) предоставляет читателю право использовать эту информацию только для личного использования, а также разрешает сделать одну (1) копию для справки во время создания проекта.Коммерческое использование запрещено без письменного разрешения Рода Эллиотта. Ссылка на материалы защищена авторскими правами - подробности см. В исходных материалах.

Страница создана и авторские права © Род Эллиотт 02 июня 2005 г. / Обновлено 23 июля 2009 г. - добавлены версия Intersil и альтернатива. / 27 февраля 2010 г. - включены правила операционных усилителей и версия BB. / Январь 2011 г. - добавлен рисунок 10, текст и справочная информация. / Мар. 2011 г. - добавлены рис. 6A и текст. / Август 2017 г. - дополнительная информация о схеме на рис. 10 и добавлена ​​формула среднего пикового значения.


.

Оставить комментарий

avatar
  Подписаться  
Уведомление о