Меню

Как измерить напряжение при однополупериодном выпрямлении

Однофазные выпрямители: типовые схемы, осциллограммы и моделирование

Выпрямитель используется в цепи переменного тока для его преобразования в постоянный. Наиболее распространенным является выпрямитель, собранный из полупроводниковых диодов. При этом он, может быть собрать из дискретных (отдельных) диодов, либо быть в одном корпусе (диодная сборка).

Давайте рассмотрим, что такое выпрямитель, какими они бывают, а в конце статьи проведем имитационное моделирование в среде Multisim. Моделирование помогает закрепить теорию на практике, без сборки и реальных компонентов просмотреть формы напряжений и токов в цепи.

Схемы выпрямителей переменного напряжения

На изображениях выше представлен внешний вид диодных мостов. Но это не единственная схема выпрямления. Для однофазного напряжения существует три распространенных схемы выпрямления:

1. 1-полупериодная (1ф1п).

2. 2-полупериодная (1ф2п).

3. 2-полупериодная со средней точкой (1ф2п).

Однополупериодная схема выпрямления

Самая простая схема состоит всего лишь из одного диода, даёт на выходе постоянное нестабилизированное пульсирующее напряжение. Диоды подключается в цепь питания на фазный провод, либо на один из выводов обмотки трансформатора, вторым концом к нагрузке, второй полюс нагрузки – к нулевому проводу или второму выводу обмотки трансформатора.

Действующее значение напряжение в нагрузке равняется примерно половине амплитудного. Амплитудное значение напряжения это размах синусоиды питающей сети в общем случае для переменного тока

Uампл = Uдейств * √2.

Для электросетей России действующие напряжение однофазной сети – 220 В, а амплитудное примерно 311

Простыми словами – на выходе мы получаем пульсации длиною в пол периода (20 мс для 50 Гц) от 0 В, до 311 В. В среднем напряжение получается меньше чем 220 вольт, это используют для питания нетребовательных к качеству напряжения потребителей или для включения ламп накаливания в подсобных, хозяйственных помещениях и подъездах. Так снижается потребляемая мощность и возрастает срок службы.

Лирическое отступление:

Долговечность таких светильников колоссальная, я пришел в цех год назад, а лампу установили еще в 2013 году, так она до сих пор светит по 12 часов каждые сутки. Но такой свет нельзя использовать в рабочих помещениях, из-за высоких пульсаций. Осциллограмы входных и выходных напряжений изображены ниже:

Однополупериодная схема отсекает только одну полуволну, что вы и видите на эпюре выше. Из-за такого питания мы получаем большой коэффициент пульсаций.

Стоит сказать, что если немного сменить тему и перейти от сетевых выпрямителей, то однополупериодная схема широко используется в импульсной схемотехнике, выпрямляя напряжение вторичной обмотки импульсного трансформатора.

На маломощных импульсных источниках питания тоже используют эту схему. Именно так, скорее всего, сделано ваше зарядное устройство для мобильного телефона.

Двухполупериодная схема

Для снижения коэффициента пульсаций и ёмкости фильтра используют другую схему – двухполупериодную. Называется она – диодный мост. Переменное напряжение поступает на точку соединения разноименных полюсов диодов, а постоянное по знаку с одноименных. Выходное напряжение такого моста называют выпрямленным пульсирующим (или не стабилизированным). Именно такое включение диодов наиболее распространено во всех сферах электроники.

Двухполупериодная схема

На эпюрах вы видим, что обе вторая полуволна переменного напряжения «переворачивается» и поступает в нагрузку. В первую половину периода ток протекает через диоды VD1-VD4, во вторую через пару VD2-VD3.

Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц

Напряжение на выходе пульсирует с частотой в 100 Гц

Вторая схема используется в источниках питания со средней точкой, по сути это две однополупериодные объединенные со вторичной обмоткой трансформатора со средней точкой. Аноды подсоединяются к крайним концам обмотки, катоды к одному вывод нагрузки (плюсовой), второй вывод нагрузки подсоединяется к отводу от середины обмотки (средней точке).

Вторая двухполупериодная схема

График выходного напряжения аналогичен и мы его рассматривать не будем. Существенное отличие лишь в том, что ток одновременно протекает через один диод, а не через пару как в мосте. Это снижает потери энергии на диодном мосте и лишний нагрев полупроводников.

Уменьшение коэффициента пульсаций

Коэффициент пульсаций – это величина, которая отражает насколько сильно пульсирует выходное напряжение. Или наоборот – насколько стабильно и равномерно ток подаётся в нагрузку.

Чтобы снизить коэффициент пульсаций параллельно нагрузке (выходу диодного моста) устанавливают всевозможные фильтры. Самый простой вариант – установить конденсатор. Чтобы пульсации были как можно меньше, постоянная времени Rнагрузки Cфильтра должна быть на порядок (а лучше несколько) больше периода пульсаций (в нашем случае 10 мс).

Для этого либо нагрузка должна иметь высокое сопротивление и малый ток, либо ёмкость конденсатора достаточно большой.

Расчетное соотношение для подбора конденсатора выглядит так:

Расчетное соотношение для подбора конденсатора

Кп – это требуемый коэффициет пульсаций.

Для улучшения ряда характеристик фильтра могут применяться LC цепи, соединенные по схеме Г или П-фильтра, в отдельных случаях и другие конфигурации. Недостатком использования LC фильтров в радиолюбительской практики является необходимость подбора фильтрующего дросселя. А нужного по номиналу (индуктивности и току) зачастую нет под рукой. Поэтому приходится либо мотать самому, либо выходить из сложившейся ситуации другим образом – выпаяв из подобного по мощности блока питания.

Моделирование однофазных выпрямителей

Давайте закрепим эту информацию на практике и займемся моделированием электроцепей. Я решил, что для создания модели такой простой схемы отлично подойдет пакет Multisim – он наиболее прост в освоении из всех мне известных и меньше всего требует ресуров.

Читайте также:  Средний ряд напряжений 515

Однако алгоритмы моделирования у него проще чем в Orcad или Simulink (хотя это и математическое моделирование, а не имитационное), поэтому результаты моделирования некоторых схем не являются достоверными. Multisim подходит для изучения основ электроники, режимов работы транзистора, операционных усилителей.

Не стоит недооценивать возможностей этой программы, при должном подходе она способна отобразить работу сложных устройств.

Мы рассмотрим модели первых двух схем, третья схема, по существу аналогична второй, но имеет меньшие потери за счет исключения двух ключей и большую сложность – из-за необходимости применения трансформатора с отводом от середины вторичной обмотки.

Однополупериодная схема

Однополупериодная схема

Схема, по которой происходит моделирование

Источник питания имитирует однофазную бытовую сеть с характеристиками:

220 в действующее напряжение;

В программе я не нашел амперметра и вольтметра, их роль выполняют мультиметры. Позже обратите внимание на обилие их настройки, и возможность выбора рода тока.

В приведенной модели мультиметр XMM1 – измеряет ток в нагрузке, XMM3 – напряжение на выходе выпрямителя, XMM2 – напряжение на входе, XSC2 – осциллограф. Обращайте внимание на подписи элементов – это исключит вопросы при анализе рисунков, которые будут ниже. Кстати в Multisim представлены модели реальных диодов, я выбрал самый распространенный 1n4007.

Осциллограма в Multisim

Красным цветом изображена осциллограмма на входе (канал А) в поле с результатами измерений. Синим цветом – выходное напряжение (канал В). У первого канала цена деления одной клеточки по вертикали – 200 В/дел, а у второго канала – 500. Я нарочно так сделал, чтоб разделить осциллограммы визуально иначе они сливались. Желтая вертикальная линия в левой трети экрана – это измеритель, величина напряжений в точке с максимальной амплитудой описана ниже черного экрана.

Амплитуда входа – 311.128 В, как и было сказано в начале статьи, а на выходе – 310.281 разница почти в один вольт обусловлена падением на диоде. В правой части изображения результаты измерений мультиметров. Названия окон соответствуют названиям мультиметров XMM в схеме.

Из эпюры мы видим, что действительно в нагрузку поступает только одна полуволна напряжения, а среднее его значение – 98 В, что больше чем в двое меньше входного действующего 220 В переменного по знаку.

На следующей схеме мы добавили фильтрующий конденсатор и один мультиметр для измерения тока нагрузки, запомните их подписи, чтобы не запутаться при изучении рисунков.

Резистор перед диодом нужен для измерения тока заряда конденсатор, чтобы узнать ток – разделите число вольт на 1 (сопротивление). Однако в дальнейшем мы заметим, что при больших токах на резисторе падает значительное напряжение, которое может сбить с толку при измерениях, в реальных условиях – это вызвало бы нагрев резистора и потерю КПД.

Схема

На осциллограмме изображено оранжевым входное напряжение, а красным входной ток. Кстати здесь заметен сдвиг тока в сторону опережения напряжения.

Осциллограма

На осциллограмме выходного сигнала мы видим как работает конденсатор – напряжение в нагрузке в то время, когда диод закрыт и проходит одна полуволна, спадает плавно, среднее его значение вырастает, а пульсации снижаются. После, на положительной полуволне, конденсатор подзаряжается и процесс повторяется.

Осциллограмма в Multisim

Увеличив сопротивление нагрузки в 10 раз, мы снизили ток, конденсатор не успевает разряжаться, пульсации стали гораздо меньше, таким образом мы доказали теоретические сведения описанные в предыдущем разделе о пульсациях и влиянии на них тока и ёмкости. Для того чтобы показать это мы могли изменить ёмкость конденсатора.

Осциллограмма в Multisim

Входной сигнал тоже изменился – токи заряда снизились, а их форма осталась прежней.

Осциллограмма в Multisim

Двухполупериодная схема

Давайте рассмотрим, как выглядит в действии схема выпрямления обоих полупериодов. Мы установили на вход диодный мост.

Двухполупериодная схема

На осциллограммах видно, что в нагрузку поступают обе полуволны, но пульсации очень большие.

Осциллограмма в Multisim

На входной осциллограмме появилась нижня часть полуволны у тока (красным цветом).

Осциллограмма в Multisim

Снизим пульсации установив фильтрующий электролитическй конденсатор по входу. На практике желательно параллельно ему установить еще и керамический, чтобы снизить высокочастотные составляющие синусоиды (гармоники).

Двухполупериодная схема

На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора (она становится положительной после моста).

На входной осциллограмме видно, что добавилась обратная полуволна при заряде конденсатора

На выходной осциллограмме видно, что пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором, обратите внимание – напряжение стремится к амплитудному, чем меньше пульсаций – тем ближе его среднее значение к амплитуде.

Пульсации стали меньше чем в первой схеме с фильтрующим конденсатором

Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе.

Если увеличить ток нагрузки в 20 раз, снизив её сопротивление, мы увидим сильные пульсации на выходе

И бОльшие токи зарядов на входе, очень заметно смещение тока фазы. Процесс заряда конденсатора происходит не линейно, а экспоненциально, поэтому мы видим, что напряжение повышается, а ток падает.

Осциллограмма

Заключение

Выпрямители широко используются во всех сферах электроники и электричестве в целом. Выпрямительные цепи устанавливаются везде – от миниатюрных блоков питания и радиоприёмниках до цепей питания мощнейших двигателей постоянного тока в крановом оборудовании.

Моделирование отлично помогает понять процессы протекающих в схемах и изучить, как изменяются токи от изменения параметров цепи. Развитие современных технологий позволяет изучать сложные электрические процессы без наличия дорогого оборудования типа спектральных анализаторов, частотомеров, осциллографов, самописцев и сверхточных вольт-амперметров. Оно позволяет избежать ошибок при проектировании схем перед сборкой.

Читайте также:  Цвет светодиод зависимость от напряжения

Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!

Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:

Обучение Интернет вещей и современные встраиваемые системы

Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;

Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;

Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.

Starter box для первых экспериментов в подарок!

После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.

Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.

Источник



Тема: Расчет однополупериодного выпрямителя

Цель: Формирование у студента компетенций ПК-18, ПК-38.

Теоретическая часть

Однополупериодный выпрямитель. Однополупериодный выпрямитель (рисунок 2.1 а) состоит из трансформатора, ко вторичной обмотке которого последовательно присоединены диод VDи нагрузочный резистор .

Для упрощения анализа работы выпрямителей трансформатор и диод считают идеальными, т.е. принимают следующие допущения: у транс­форматора активное сопротивление обмоток, а у диода прямое сопротивление равны нулю; обратное сопротивление диода равно бесконечности; в трансформаторе отсутствуют потоки рассеяния. При таких допущениях с подключением первичной обмотки трансформатора к сети переменного синусоидального напряжения во вторичной обмотке будет наводиться синусоидальная ЭДС (рисунок 2.1 б).

Работу выпрямителя рассматривают с помощью временных диаграмм (рисунок 2.1 б, в). В первый полупериод, т.e. в интервале времени 0 – Т/2, диод открыт и в нем появляется ток , а в нагрузочном резисторе – ток , причем . Падение напряжения на диоде . В интервале времени Т/2 – Т диод закрыт, ток , а к запертому диоду прикладывается обратное напряжение т.е. , тогда , где – действующее значение напряжения во вторичной обмотке.

Основными электрическими параметрами однополулериодного выпрямителя являются:

– средние значения выпрямленных тока и напряжения и ;

– мощность нагрузочного устройства ;

– амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения ;

– коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения ;

– коэффициент полезного действия ,

где – мощность потерь в трансформаторе, а – мощность потерь в диодах.

В однополупериодном выпрямителе (рис. 2.1):

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора:

Коэффициент пульсаций можно получить из разложения в ряд Фурье выходного напряжения однополупериодного выпрямителя:

Основным преимуществом однополупериодного выпрямителя является его простота. Недостатками этого выпрямителя являются: большой коэффициент пульсаций, малые значения выпрямленных тока и напряжения. Вместе с тем, следует обратить внимание еще на один недостаток однополупериодного выпрямителя. Ток имеет постоянную составляющую, которая вызывает подмагничивание сердечника трансформатора, из-за чего уменьшается магнитная проницаемость сердечника, что в свою очередь снижает индуктивность обмоток трансформатора. Это приводит к росту тока холостого хода трансформатора, а следовательно, к снижению КПД всего выпрямителя.

Диод в выпрямителе является основным элементом, поэтому диоды должны соответствовать основным электрическим параметрам выпрямителей. При выборе типа диодов необходимо знать:

– среднее значение прямого тока ;

– максимальное обратное напряжение на диоде . Для надежной работы диодов в выпрямителях требуется, чтобы каталожные параметры превышали рассчитанные значения примерно на 30%. Отметим, что при выпрямлении напряжения, амплитудное значение которого превышает для одного диода, можно включать последовательно два или несколько однотипных диодов. Однако эти диоды должны быть зашунтированы сопротивлением, примерно равным .

Промышленность выпускает полупроводниковые диодные столбы (например, КЦ 106, КЦ 201). Выпрямительный столб – это группа последовательно соединенных диодов, помешенных в общий корпус. Такие столбы выдерживают напряжения свыше 15 кВ.

Задачи

1. В однополупериодном выпрямителе напряжение на вторичной обмотке трансформатора В, частота сети = 50 Гц. Сопротивление диода в прямом направлении = 0. Для нагрузочного резистора сопротивлением 200 Ом определить средние значения выпрямленного напряжения и тока на нагрузочном резисторе, среднее значение тока в диоде , максимальное обратное напряжение диода . Выбрать параметры необходимого диода.

2. В схеме однополупериодного выпрямителя задан диод КД208А с параметрами = 1,5 А и = 100 В. Определить максимальное напряжение вторичной обмотки трансформатора и мощность, выделяемую в нагрузке = 200 Ом.

3. Определить среднее и максимальное значение прямого тока, а также максимальное обратное напряжение полупроводникового диода в однополупериодном выпрямителе (рисунок 2.1 а) и коэффициент трансформации трансформатора, если на нагрузочном резисторе сопротивлением = 3 кОм среднее значение выпрямленного напряжения =180 В. Напряжение сети В. Сопротивление диода в прямом направлении и обратный ток считать равными нулю.

4. Определить амплитуду тока в нагрузочном резисторе сопротивлением = 2,5 кОм однополупериодного выпрямителя (рисунок 2.1 а), если напряжение на первичной обмотке трансформатора В, коэффициент трансформации п = 0,4. Сопротивление диода в прямом направлении считать равными нулю.

5. Для питания постоянным током потребителя мощностью 250 Вт при напряжении Ud = 100 В необходимо собрать схему однополупериодного выпрямителя, подобрав диоды из справочника. Указать допустимые параметры для выбранного диода.

Читайте также:  Корпус для стабилизатора напряжения

Вопросы к практическому занятию

1. Из чего состоит однополупериодный выпрямитель?

2. Приведите соотношения между входным напряжением выпрямителя и его средним значением.

3. Пояснить связь между действующим значением тока выпрямителя и его постоянной составляющей.

4. Что называется коэффициентом пульсаций выпрямленного напряжения?

5. Чему равен коэффициент пульсаций для однополупериодного выпрямителя?

6. Какое условие используется при выборе диодов после расчета однополупериодного выпрямителя?

7. Каковы различия между входным и выходным сигналами однополупериодного выпрямителя?

8. Поясните принцип действия однополупериодного выпрямителя.

Практическое занятие 3

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Источник

Однополупериодный выпрямитель тока. Схема и принцип работы.

Выпрямитель тока – это устройство, позволяющее выполнить преобразование тока переменного направления в ток постоянного направления. И сегодня мы рассмотрим базовую схему выпрямителя – однополупериодный выпрямитель. Разберем схему, принцип работы, а также достоинства и недостатки.

Однополупериодный выпрямитель.

Схема однополупериодного выпрямителя выглядит следующим образом:

Схема однополупериодного выпрямителя тока

Пусть на входе у нас переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону:

Сигнал на входе выпрямителя

Резистор же R_н играет роль нагрузки. То есть мы должны обеспечить протекание через него постоянного тока. Давайте разберемся как эта простейшая схема сможет решить нашу задачу!

Итак, диод D_1 пропускает ток только в одном направлении, в те моменты, когда к нему приложено прямое смещение, что соответствует положительным полупериодам ( U_<вх>\gt0 ) входного сигнала. Когда к диоду будет приложено обратное смещение (отрицательные полупериоды), он будет закрыт и по цепи будет протекать только незначительный обратный ток. И в результате сигнал на нагрузке будет выглядеть так:

Выходной сигнал.

Обратным током обычно можно пренебречь, поэтому в итоге мы получаем, что ток через нагрузку протекает только в одном направлении. Но назвать его постоянным не представляется возможным ? Ток через нагрузку хоть и является выпрямленным (протекает только в одном направлении), но носит пульсирующий характер.

Для сглаживания этих пульсаций в схему выпрямителя тока обычно добавляется конденсатор:

Однополупериодный выпрямитель тока

Идея заключается в том, что во время положительного полупериода, конденсатор заряжается (запасает энергию). А во время отрицательного полупериода конденсатор, напротив, разряжается (отдает энергию в нагрузку).

Таким образом, за счет накопленной энергии конденсатор обеспечивает протекание тока через нагрузку и в отрицательные полупериоды входного сигнала. При этом емкость конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, равное половине периода.

Проверяем напряжение на нагрузке для этой схемы:

Принцип работы выпрямителя тока

В точке 1 конденсатор заряжен до напряжения U_1 . Далее входное напряжение понижается, а конденсатор, в свою очередь, начинает разряжаться на нагрузку. Поэтому выходное напряжение не падает до нуля вслед за входным.

В точке 2 конденсатор успел разрядиться до напряжения U_2 . В то же время значение входного сигнала также становится равным этой же величине, поэтому конденсатор снова начинает заряжаться. И эти процессы в дальнейшем циклически повторяются.

А теперь поэкспериментируем и используем в схеме однополупериодного выпрямителя конденсатор меньшей емкости:

Пример работы схемы

И здесь мы видим, что конденсатор из-за меньшей емкости успевает разрядиться гораздо сильнее, и это приводит к увеличению пульсаций, а следовательно к ухудшению работы всей схемы.

На промышленных частотах 50 – 60 Гц однополупериодный выпрямитель практически не применяется из-за того, что для таких частот потребуются конденсаторы с очень большой емкостью (а значит и внушительными габаритами).

Смотрите сами, чем ниже частота, тем больше период сигнала (а вместе с тем, и длительности положительного и отрицательного полупериодов). А чем больше длительность отрицательного полупериода, тем дольше конденсатор должен быть способен разряжаться на нагрузку. А это уже требует большей емкости.

Таким образом, на более низких частотах в силу своих ограничений эта схема не нашла широкого применения. Однако, на частотах в несколько десятков КГц однополупериодный выпрямитель используется вполне успешно.

Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

  • К основным достоинствам схемы, в первую очередь, конечно же, можно отнести простоту и, соответственно, небольшую себестоимость – используется всего один диод.
  • Кроме того, снижено падение напряжения. Как вы помните, при протекании тока через диод на нем самом падает определенное напряжение. По сравнению с мостовой схемой (которую мы разберем в следующей статье), ток протекает только через один диод (а не через два), а значит и падение напряжения меньше.

Основных недостатков также можно выделить несколько:

  • Схема использует энергию только положительного полупериода входного сигнала. То есть половина полезной энергии, которую также можно было бы использовать, уходит просто в никуда. В связи с этим КПД выпрямителя крайне низок.
  • И даже с использованием сглаживающих конденсаторов величина пульсаций довольно-таки значительна, что также является очень серьезным недостатком.

Итак, давайте резюмируем! Мы разобрали схему и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя тока, а в следующей статье перейдем к более сложным схемам выпрямителей, не пропустите!

Источник