Выпрямитель со средней точкой трансформатора – Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой. Схема, назначение, работа. Требования к диодам. Достоинства и недостатки

ВЫПРЯМИТЕЛИ

   В этой статье мы разберем какие бывают выпрямители, для какой цели служат, в чем заключаются особенности того или иного выпрямителя. Если мы решаем собрать какое-либо устройство или просто необходимо запитать готовое, то мы можем использовать питание от гальванических элементов (батареек), либо воспользоваться для этих целей аккумуляторами. Но как быть, если радиоустройство не планируется носить с собой и оно потребляет значительный ток? В таких случаях запитывают устройство от сети 220 вольт.

Фото трансформаторный блок питания

   Напрямую запитать от 220 вольт, разумеется, мы не можем, напряжение слишком высокое и ток переменный, а для питания электронных устройств почти всегда необходим постоянный ток и более низкое напряжение. Необходим так называемый сетевой адаптер.

Фотография трансформатора

   Понизить напряжение мы можем с помощью трансформатора, о нем мы поговорим в одной из следующих статей, пока нам достаточно знать, что с помощью трансформатора мы можем понизить или повысить напряжение при переменном токе. Далее нам необходимо сделать из переменного тока постоянный, для этих целей и служит выпрямитель. Существуют три основных типа выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель

Схема однополупериодный выпрямитель

   Этот выпрямитель работает только в течение положительного полупериода синусоиды. Это можно видеть на следующем графике:

Выпрямленный ток после однополупериодного выпрямителя

   На выходе после диода мы получаем пульсирующее напряжение, нам нужно сделать из него постоянное, то есть из пульсирующего тока получить постоянный. Для этих целей служит электролитический конденсатор большой емкости, подключенный параллельно выходу питания в соответствии с полярностью. На фотографии ниже можно увидеть внешний вид подобного конденсатора:

Электролитический конденсатор большой емкости

    Такой конденсатор благодаря большой емкости разряжается в течении отрицательного полупериода синусоиды. Обычно для фильтрации напряжения в выпрямителях применяют электролитические конденсаторы от 2200 микрофарад. В усилителях и других устройствах, где важно чтобы напряжение не проседало при увеличении мощности нагрузки, ставят конденсаторы на большую емкость, чем 2200 микрофарад. Для устройств питающих бытовую аппаратуру обычно конденсаторов такой емкости бывает достаточно. На следующем графике (выделено красным), мы можем видеть, как конденсатор поддерживает напряжение стабильным во время прохождения отрицательной полуволны.

Выпрямленный ток в однополупериодном выпрямителе после конденсатора

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Схема двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

   Для этой схемы необходим трансформатор, с двумя вторичными обмотками. Напряжение на диодах в два раза выше, чем при включении схемы с однополупериодным выпрямителем или при включении мостовой схемы. В этой схеме попеременно работают оба полупериода. В течении положительного полупериода работает одна часть схемы обозначенная В1, во время отрицательного полупериода работает вторая часть схемы обозначенная В2. Эта схема является менее экономичной, чем мостовая схема, в частности у неё более низкий коэффициент использования трансформатора. В этой схеме после диодов получается также пульсирующее напряжение, но частота пульсаций в два раза выше. Что мы и можем видеть на следующем графике:

График двухполупериодного выпрямителя

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема

Схема двухполупериодный выпрямитель мостовая схема

   И наконец, рассмотрим схему мостового выпрямителя, самую распространенную схему, по которой сделана большая часть всех выпущенных трансформаторных блоков питания. Сейчас объясню принцип работы диодного моста:

Диодный мост рисунок

   Ток у нас на выходе с трансформатора переменный, а переменный ток, как известно, в течение периода дважды меняет свое направление. Говоря другими словам, конечно же упрощенно, при переменном токе с частотой 50 герц, ток у нас 100 раз в секунду меняет свое направление. То есть сначала он течет от вывода диодного моста под цифрой один, ко второму, потом в течение другой полуволны он течет от вывода под номером два к первому. 

Объяснение работы диодного моста

   Рассмотрим, что происходит с диодным мостом при подаче напряжения, мы видим, на рисунке обозначен красным путь тока, напрямую пройти к выводу диодного моста соединенного с переменным током не позволит диод, который получается у нас включенный в обратном включении, а в обратном включении, как мы помним, диоды не пропускают ток. Току остается только один путь (выделено на рисунке синим), через нагрузку и через диод уйти в провод соединенный с выводом переменного тока. Когда у нас ток меняет свое направление, то вступает в действие вторая часть диодного моста, которая действует аналогично той, что описал выше. В итоге у нас получается на выходе такой же график напряжения, как и у двухполупериодного выпрямителя со средней точкой:

График мостого выпрямителя

   При сборке выпрямителя нужно учитывать полярность на выходе диодного моста, если мы подключим электролитический конденсатор неправильно, то рискуем испортить конденсатор и можно считать, что повезло, если этим все ограничится. Поэтому при сборке диодного моста важно помнить одно правило, плюс на выходе с моста всегда будет в точке соединения 2 катодов диодов, а минус в точке соединения анодов. Встречается и такое обозначение на схемах диодного моста:

Еще одно изображение диодного моста

   Диодный мост можно собрать как из отдельных диодов, так и взять специальную сборку из 4 диодов, уже соединенных по мостовой схеме, и имеющий 4 вывода. В таком случае остается только подать переменный ток, идущий обычно с вторичной обмотки трансформатора на два вывода моста, а с оставшихся двух выводов снимать плюс и минус. Обычно на самой детали бывает обозначено, где какой вывод у моста. Так выглядит импортный диодный мост:

Фото импортного диодного моста

   На фото далее изображен отечественный диодный мост КЦ405.

Фото диодный мост кц405

Трехфазные выпрямители

   Существуют и трехфазные трансформаторы. Обычным однофазным диодным мостом с такого трансформатора не получится на выходе постоянный ток. Конечно, если нагрузка небольшая можно подключиться к одной фазе и к нулевому проводу трансформатора, но экономичным такое решение не назовешь.

Фото трехфазного трансформатора

   Для трехфазного тока существуют специальные схемы выпрямителей, две таких схемы приведены на рисунках ниже. Первая, известная как схема Миткевича, имеет низкий коэффициент габаритной мощности трансформатора. Эта схема применяется при небольших мощностях нагрузки.

Схема Миткевича

   Вторая схема, известная как Схема Ларионова, нашла широкое применение в электротехнике, так как имеет лучшие технико-экономические показатели по сравнению со схемой Миткевича.

Схема Ларионова

   Схема Ларионова может использоваться как «звезда-Ларионов” и «треугольник-Ларионов”. Вид подключения зависит от схемы подключения трансформатора, либо генератора, с выходом которого соединен этот выпрямитель. Автор статьи — AKV.

   Форум

   Обсудить статью ВЫПРЯМИТЕЛИ

radioskot.ru

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 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 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 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 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 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 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 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 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 выпрямителя

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

Схема 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 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 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)

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:

Сохранить или поделиться

radioprog.ru

1.2. Основные схемы выпрямления Однофазная, однополупериодная схема

Однофазную,
однополупериодную схему (рис. 1.2, а)
обычно применяют при выпрямленных токах
до нескольких десятков миллиампер и в
тех случаях, когда не требуется высокой
степени сглаживания выпрямленного
напряжения. Эта схема характеризу­ется
низким коэффициентом использования
трансформатора по мощности и большими
пульсациями выпрямленного напряжения.

Диаграммы
напряжений и токов, поясняющие работу
однополупериодного выпрямителя на
активную нагрузку с учетом потерь в
трансформаторе и вентиле, представлены
на рис. 1.2,б. Индуктивностью рассеяния
трансформатора пренебрегаем, как это
обычно допускается в выпрямителях малой
мощности [2].

а)
б)

Рис.
1.2. Однофазная, однополупериодная схема
выпрямления (а) и

диаграммы
напряжений и токов в ней при работе на
активную нагрузку (б).

Под
действием ЭДС вторичной обмотки
ток в цепи нагрузкиможет проходить только в течение тех
полупериодов, когда анод диода имеет
положительный потенциал относительно
катода. Диод пропускает токв первый полупериод, во второй полупериод,
когда потенциал анода становится
отрицательным, ток в цепи равен нулю.
Выпрямленное напряжениев любой момент времени меньше ЭДС
вторичной обмотки,
так как часть напряжения теряется на
активных сопротивлениях трансформатора
и открытого вентиля (учитывается
сопротивлениемr).
Максимальное обратное напряжение на
вентиле
,
как видно из рис. 1.2,б, достигает
амплитудного значения ЭДС вторичной
обмотки.

Диаграмма
первичного тока трансформатора подобна
диаграмме вторичного тока, если пренебречь
током намагничивания и исключить из
него постоянную составляющую
,
которая в первичную обмоткуне
трансформируется
.
В сердечнике трансформатора за счет
постоянной составляющей тока вторичной
обмотки создается добавочный постоянный
магнитный поток, насыщающий сердечник.
Это явление называют – вынужденное
подмагничивание сердечника трансформатора
постоянной
составляющей тока, которое является
главным недостатком этой схемы. В
результате насыщения намагничивающий
ток трансформатора возрастает в несколько
раз по сравнению с током в нормальном
режиме намагничивания сердечника.
Возрастание намагничивающего тока
обусловливает увеличение сечения
провода первичной обмотки, следствием
чего являются завышенные размеры
трансформатора и габариты выпрямителя
в целом [2].

Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)

Однофазный
двухполупериодный выпрямитель со
средним (нулевым) выводом вторичной
обмотки трансформатора (рис. 1.3, а)
применяют в низковольтных устройствах.
Он позволяет уменьшить вдвое число
диодов и тем самым понизить потери, но
имеет более низкий коэффициент
использования трансформатора и,
следовательно, большие габариты по
сравне­нию с однофазным мостовым
выпрямителем, который рассмотрен ниже.
Обратное напряжение на диодах выше в
этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым
элементом данного выпрямителя является
трансформатор с двумя вторичными
обмотками. Выпрямитель со средней точкой
является по существу двухфазным, так
как вторичная обмотка трансформатора
со средней точкой создает две ЭДС, равные
по величине, но противоположные по
направлению. Таким образом, схема
соединения обмоток такова, что одинаковые
по величине напряжения на выводах
вторичных обмоток относительно средней
точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы
напряжений и токов, поясняющие работу
двухполупериодного выпрямителя со
средним выводом на активную нагрузку
с учетом потерь в трансформаторе и
вентилях, представлены на рис.1.3,б.

а)
б)

Рис.
1.3. Двухполупериодная схема выпрямления
со средней точкой (а) и диаграммы
напряжений и токов в ней при работе на
активную нагрузку (б).

Вторичные
обмотки трансформатора подключены к
анодам вентилей VD1
и VD2.
Напряжения на вторичных обмотках
трансформатора w21
и w22
находятся в противофазе. Поэтому диоды
схемы VD1
и VD2
проводят
ток поочередно, каждый в соответствующий
полупериод питающего напряжения. В
течение первого полупериода положительный
потенциал имеет анод диода VD1
и ток
проходит через него, нагрузку и вторичную
полуобмоткуw21
трансформатора.
В течение второго полупериода положительный
потенциал имеет анод диода VD2,
ток
проходит через него, нагрузку и вторичную
полуобмоткуw22
трансформатора,
причем в цепи нагрузки ток
проходит в том же направлении, что и в
первый полупериод.

Таким
образом, в отличие от простейшего
однополупериодного выпрямителя в
выпрямителе со средней точкой выпрямленный
ток проходит через нагрузку в течение
обоих полупериодов переменного тока,
но каждая из
половин вторичной обмотки трансформатора
оказывается нагруженной током только
в течение полупериода
.
В результате встречного направления
м.д.с. постоянных составляющих токов
вторичных обмоток
ив сердечнике трансформаторанет
вынужденного подмагничивания

[2].

Рассмотрим
расчет
коэффи­циента использования
трансформатора по мощности для
выпрямителя
без потерь

при активной нагрузке

на примере двухполупериодной схемы со
средней точкой [3].

Выходное
напряжение
снимается в данной схеме между средней
(нулевой) точкой трансформатора и общей
точкой соединения катодов обоих вентилей.
Среднее напряжение на нагрузке

,

т.е. между
средним значением выпрямленного
напряжения и действующим значением
существует то же соотношение, что
связывает среднее и действующее значение
синусоидального тока.

Среднее
значение тока через нагрузку

Поскольку
ток
протекает через диоды поочередно,
средний ток через каждый диод составит

,

Обратное
напряжение прикладывается к закрытому
диоду, когда проводит ток другой диод.
Поскольку к закрытому диоду в этой схеме
максимально прикладывается двойное
амплитудное напряжение вторичной
стороны, то

Величина
при расчете выпрямителя является
заданной, поэтому находим действующее
значение напряжения на вторичной обмотке
трансформатора

Действующее
значение тока вторичной обмотки
трансформатора

Габаритная
мощность вторичных обмоток трансформатора

Габаритная
мощность первичной обмотки трансформатора

;
;;

Коэффициент
использования трансформатора по мощности
в двухполупериодной схеме со средней
точкой

Таким
образом, габаритная мощность трансформатора
в двухполупериодной схеме со средней
точкой в 1,48 раза превышает мощность в
нагрузке.

studfiles.net

Двухполупериодная схема со средней точкой (схема Миткевича)



Поиск Лекций




 

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средним (нулевым) выводом вторичной обмотки трансформатора (рис. 1.3, а) применяют в низковольтных устройствах. Он позволяет уменьшить вдвое число диодов и тем самым понизить потери, но имеет более низкий коэффициент использования трансформатора и, следовательно, большие габариты по сравне­нию с однофазным мостовым выпрямителем, который рассмотрен ниже. Обратное напряжение на диодах выше в этой схеме, чем в мостовой.

Необходимым элементом данного выпрямителя является трансформатор с двумя вторичными обмотками. Выпрямитель со средней точкой является по существу двухфазным, так как вторичная обмотка трансформатора со средней точкой создает две ЭДС, равные по величине, но противоположные по направлению. Таким образом, схема соединения обмоток такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно средней точки сдвинуты по фазе на 180º.

Диаграммы напряжений и токов, поясняющие работу двухполупериодного выпрямителя со средним выводом на активную нагрузку с учетом потерь в трансформаторе и вентилях, представлены на рис.1.3,б.

а) б)

Рис. 1.3. Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой (а) и диаграммы напряжений и токов в ней при работе на активную нагрузку (б).

 

Вторичные обмотки трансформатора подключены к анодам вентилей VD1 и VD2. Напряжения на вторичных обмотках трансформатора w21 и w22 находятся в противофазе. Поэтому диоды схемы VD1 и VD2 проводят ток поочередно, каждый в соответствующий полупериод питающего напряжения. В течение первого полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD1 и ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w21 трансформатора. В течение второго полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD2, ток проходит через него, нагрузку и вторичную полуобмотку w22 трансформатора, причем в цепи нагрузки ток проходит в том же направлении, что и в первый полупериод.

Таким образом, в отличие от простейшего однополупериодного выпрямителя в выпрямителе со средней точкой выпрямленный ток проходит через нагрузку в течение обоих полупериодов переменного тока, но каждая из половин вторичной обмотки трансформатора оказывается нагруженной током только в течение полупериода. В результате встречного направления м.д.с. постоянных составляющих токов вторичных обмоток и в сердечнике трансформатора нет вынужденного подмагничивания [2].

Рассмотрим расчет коэффи­циента использования трансформатора по мощности для выпрямителя без потерь при активной нагрузке на примере двухполупериодной схемы со средней точкой [3].



Выходное напряжение снимается в данной схеме между средней (нулевой) точкой трансформатора и общей точкой соединения катодов обоих вентилей. Среднее напряжение на нагрузке

 

,

 

т.е. между средним значением выпрямленного напряжения и действующим значением существует то же соотношение, что связывает среднее и действующее значение синусоидального тока.

Среднее значение тока через нагрузку

 

 

Поскольку ток протекает через диоды поочередно, средний ток через каждый диод составит

 

,

 

Обратное напряжение прикладывается к закрытому диоду, когда проводит ток другой диод. Поскольку к закрытому диоду в этой схеме максимально прикладывается двойное амплитудное напряжение вторичной стороны, то

 

 

Величина при расчете выпрямителя является заданной, поэтому находим действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора

 

 

Действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора

 

 

Габаритная мощность вторичных обмоток трансформатора

 

 

Габаритная мощность первичной обмотки трансформатора

 

; ; ;

 

 

 

Коэффициент использования трансформатора по мощности в двухполупериодной схеме со средней точкой

 

 

 

Таким образом, габаритная мощность трансформатора в двухполупериодной схеме со средней точкой в 1,48 раза превышает мощность в нагрузке.

 








poisk-ru.ru

Выпрямитель напряжения двухполупериодный со средней точкой


Во всех каскадах применен двухполупериодный выпрямитель напряжения со средней точкой, вместо классического мостового. Такое решение коммерчески невыгодно, так как необходим более дорогой и сложный в изготовлении силовой трансформатор с дополнительной вторичной обмоткой. Которая даёт возможность — включить диоды (практически забытым в транзисторных изделиях) двухполупериодным выпрямителем со средней точкой, и в итоге достигнуть минимальных синфазных помех, наличие которых снижает комфортность и музыкальность звука.

Классический — мостовой двухполупериодный выпрямитель имеет существенные недостатки, обусловленные повышенным количеством диодов. Больше активных диодов, больше искажений выходного напряжения связанных с работой этих диодов.

При переключении диодов возникают проникающие ВЧ помехи (и их гармоники) от которых невозможно избавится. Шунтирование диодов конденсаторами, шунтирование вторичных обмоток силового трансформатора — все эти схемотехнические ухищрения негативно влияют на скорость переключения диодов и в конечном итоге портят звук. К тому же, незначительная несимметричность обмоток силового трансформатора может добавить дополнительные искажения.

От всех этих недостатков свободен простой двухполупериодный выпрямитель напряжения со средней точкой, так как каждая вторичная обмотка трансформатора работает только с одним диодом, и основная часть ВЧ помех вязнет в индуктивностях силового трансформатора. Следовательно, сохраняется скорость переключения диодов и помехи имеют более низкий порядок, что хорошо маскируется основным звуковым сигналом.

У мостового выпрямителя есть естественное достоинство — маленькое суммарное сопротивление диодов по постоянному току, что есть хорошо для импульсного потребителя, т.е. для двухтактного усилителя мощности работающего в классе «АВ» и «В». Но, для однотактного усилителя мощности класса «А», где потребление тока постоянно — стабильное, важна чистота напряжения питания по высокочастотному спектру.

В наших однотактных усилителях мощности установлены двухполупериодные выпрямители напряжения со средней точкой на быстрых карбид кремниевых диодах шоттки, которые почти не имеют проникающих высокочастотных помех связанных с работой диодов. В результате получаем, чистое постоянное напряжение которое можно поддерживать маленькими ёмкостями плёночных конденсаторов.

В двухполупериодных выпрямителях напряжения со средней точкой применяются диоды шоттки на основе карбида кремния фирм: Cree, Infineon — департамент Siemens.

Лучшее сочетание вакуумных и          полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

          Мы не создаём иллюзий,
          Мы делаем звук живым!

grimmi.ru

5.1.2. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Двухполупериодный
выпрямитель со средней точкой содержит
два вентиля (диода) VD1
иVD2 (рис. 5.4) и использует
трансформатор, имеющий вывод средней
точки вторичной обмотки (СОМ).
НагрузкаRHподключается между общей точкой диодов
и средней точкой вторичной обмотки
трансформатора.

Рис.
5.4. Схема двухполупериодного выпрямителя
со средней точкой

Напряжения
на противоположных концах вторичной
обмотки, измеряемые относительно средней
точки, находятся в данной схеме в
противофазе, т.е. когда, например, на
верхнем выводе положительная полуволна
напряжения, то на нижнем – отрицательная
и наоборот. В результате, когда открыт
вентиль VD1, вентильVD2 закрыт, а когда
вентильVD1 закрыт,
вентильVD2 открыт.
Таким образом, через нагрузку ток
протекает в течение обоих полупериодов
подводимого напряжения и поэтому такой
выпрямитель называется двухполупериодным.
Работа двухполупериодного выпрямителя
со средней точкой иллюстрируется рис.
5.5.

Ряды
Фурье для выпрямленных напряжения
URн(t)
и токаiRн(t)
имеют следующий вид:

Здесь
U2m– максимальное (амплитудное) значение
напряжения вторичной обмотки, измеряемое
между одним из концов вторичной обмотки
и ее средней точкой,– максимальное значение тока нагрузки.

Как
видно из диаграммы и как это следует из
приведенных формул, среднее значение
выпрямленного напряжения здесь в 2 раза
больше, чем в однополупериодной схеме:

U0= 2U2m/ π (5.5)

Рис.
5.5. Временные диаграммы токов и напряжений
в двухполупериодной схеме выпрямления
со средней точкой

Максимальное
обратное напряжение, которое должен
выдерживать каждый вентиль в закрытом
состоянии, в данной схеме равно:

UОБРm= 2U2m(5.6)

Коэффициент
пульсации, рассчитываемый аналогично
(5.3), равен:

kп= 2/3 = 0,66 (5.7)

Он
в два с лишним раза меньше, чем в
однополупериодной схеме выпрямления.

По
сравнению с однополупериодным выпрямителем
данный выпрямитель позволяет в 2 раза
увеличить мощность, отдаваемую в
нагрузку, без увеличения установочной
(габаритной) мощности трансформатора.

5.1.3. Однофазная мостовая схема выпрямления

Двухполупериодный
режим работы выпрямителя можно реализовать
с трансформатором без средней точки
вторичной обмотки в так называемой
мостовойсхеме, рис. 5.6.

Схема
состоит из четырех вентилей VD1
VD4, образующих
выпрямительный мост. Одна диагональ
моста (АС) подключается к вторичной
обмотке трансформатора, а ко второй
диагонали (BD), с которой
снимается выпрямленное напряжение,
подключается нагрузкаRн.

Pис.
5.6. Однофазная мостовая схема выпрямления

Когда
на верхнем конце вторичной обмотки
трансформатора действует положительное
напряжение относительно нижнего конца
(обозначенное на рисунке знаками + и –
без скобок), вентили VD1
иVD3 открыты, т.к. к их
анодам прикладывается положительное
напряжение относительно катодов и через
них протекает ток по цепи:АVD1
ВRн –D–VD3 –C.
В этот же период времени вентилиVD2
иVD4 закрыты.

Когда
напряжение на вторичной обмотке меняет
свою полярность (на рисунке она указана
знаками + и – в скобках), вентили VD1
иVD3 закрываются, а
вентилиVD2 иVD4
открываются. Ток в этом случае течет по
новой цепи:СVD2
ВRн –DVD4 –А. Как видно
из данной последовательности, направление
тока в нагрузкеRн
остается неизменным:ВRн
D. Таким образом, в
мостовой схеме реализуется двухполупериодное
выпрямление, при котором ток в нагрузке
течет в неизменном направлении в течение
обоих полупериодов переменного входного
напряжения, рис. 5.7.

Данная
схема выпрямления имеет более простой,
а значит, более дешевый трансформатор,
а обратное напряжение, прикладываемое
к вентилю, в 2 раза ниже, чем в схеме
двухполупериодного выпрямления со
средней точкой. Недостатком мостовой
схемы является необходимость применения
удвоенного количества вентилей, которые
включаются попарно-последовательно с
нагрузкой в проводящий полупериод. Это
приводит к снижению КПД, которое особенно
заметно в низковольтных выпрямителях.

Рис.
5.7. Временная диаграмма токов и напряжений
в мостовой схеме выпрямления

studfiles.net

2.2.2. Трехфазный неуправляемый выпрямитель со средней точкой

Трехфазная схема
выпрямителя со средней точкой приведена
на рис.45.5. Ее называют также трехфазной
нулевой схемой. Она содержит трехфазный
трансформатор, включенный по схеме
треугольник-звезда или звезда-звезда
и при диода, подключенных анодами к
фазам вторичной обмотки.

Нагрузка Rd
подключена между общим катодом вентилей
и нулевой точкой звезды вторичной
обмотки. Временные кривые для напряжений
и токов, характеризующие работу схемы,
представлены на рис.45.6. Здесь показаны
графики изменения фазных напряжений
(рис.45.6, а),
токов вентилей (рис.45.6, б),
обратных напряжений (рис.45.6, в).

Рис.45.5.
Трехфазная нулевая (однотактная) схема
выпрямления

Рис.45.6. Напряжение
и токи в схеме трехфазного нулевого

(однотактного)
выпрямителя

Таблица
45.1

Основные
расчетные соотношения схем выпрямления

Однофазная
двухполупериодная с нулевым выводом
(рис.45.4, а)

Однофазная
мостовая (рис.45.4, б)

Трехфазная
с нулевым выводом (рис.45.4, в)

I2/Id

/4
= 0,785**

1

/2=1,11**

0,5

0,333

1*

/2
= 1,57**

1*

2/3=1,21**

IV/Id

/4
= 0,785**

I1/Id

(KT
=1)

1*

/2=1,11**

/3
= 0,471

n

1,
3, 5, 7, 9, 11, 13, 15, …

1,
2, 4, 5, 7, 8, …

kи

0,9

0,827

kг

0,484

0,68

2/
= 0,9

3/2
= 1,17

 =
3,14

/2
= 1,57

2/3
= 2,09

ρ

2

3

kn

0,483

0,18

kn

0,471

0,177

S2/Pd

/2
= 1,57*

2/4=1,74**

/2=1,11*

8/8
= 1,23**

2/3=1,48

4/3=1,71****

S1/Pd

/2=1,11*

2/8
= 1,23**

2/3=1,21

ST/Pd

(1+)/4=1,34*

2
(1+)/16=1,48**

/2=1,11**

2/8
= 1,23**

(+)/3=1,345

*
Для активно-индуктивной нагрузки.

**
Для активной нагрузки

****
При соединении вторичной обмотки в
зигзаг

Окончание
табл.45.1

Двойная
трехфазная с уравнительным реактором
(рис.45.4, г)

Трехфазная
мостовая (рис.45.4, д)

Условно-двенадцати-фазная
последовательная (рис.45.4, е)

Условно-двенадцати-фазная
параллельная (рис.45.4, ж)

I2/Id

1/2=0,289

=0,817

=0,817

1/=0,408

0,167

0,333

0,333

0,167

0,5*

/6
= 0,522**

/3=1,045**

1

0,5

IV/Id

1/2=0,289

1/2=0,289

I1/Id

(KT
=1)

1/=0,408

=0,817

=0,817

=1,577***

1/=0,408

0,789***

n

1,
5, 7, 11, 13, 17, …

1,
11, 13, 23, 25, …

kи

0,955

0,989

kг

0,311

0,152

3/2=1,17

3/=2,34

6/
= 4,68

3/=2,34

2/3
= 2,09

/3
= 1,045

/6
= 0,523

/3
= 1,045

ρ

6

12

kn

0,042

0,0102

kn

0,0404

0,0102

S2/Pd

2/3= 1,48

/3
= 1,05

/6
= 0,523

S1/Pd

/3
= 1,05

ST/Pd

(1+)/6
=1,26

/3
= 1,05

*
Для активно-индуктивной нагрузки.

**
Для активной нагрузки

***
Сетевой ток преобразователя

****
При соединении вторичной обмотки в
зигзаг

Пусть в момент
проводит ток диод,
подключенный к фазеС.
Поскольку сопротивление проводящего
диода можно считать равным нулю, к
нагрузке приложено напряжение фазы
и2С.
При этом диоды, подключенные к двум
другим фазам, находятся под разностью
напряжений и2А
— и
2С
и и2В
— и
2С,
то есть под линейным напряжением,
сдвинутым относительно фазного во
времени на угол
.
В моментэто напряжение перейдет через нуль и
диод, подключенный к фазеА,
включится (выполняется условие включения).
В выпрямителе образуется замкнутый
контур: напряжение ЭДС фазы А
– диод VD1
– диод
– напряжение фазыС.
При условии,

в контуре возникает импульс тока, который
совпадает с прямым током диода VD1
и обратным VD3.
Уменьшая последний, он мгновенно
выключает диод VD3.
Происходит переключение (коммутация)
фаз трансформатора, которые соединяются
с нагрузкой. При этом неработающие
вентили попадают под обратные напряжения,
равные иС
= и
2В
— и
2А
и иС
= и
2С
— и
2А.
Через интервал
станет равным нулю другое линейное
напряжениеиВ
и произойдет коммутация диодов VD1
и VD2.
Моменты, в которые происходят коммутации,
называются точками естественной
коммутации, а интервалы между ними равны
2/3.
Выпрямленный ток равномерно распределяется
между диодами, и средний ток диода равен

.
(45.4)

Трехфазная нулевая
схема, как и все нулевые схемы, использующие
нулевую точку вторичной звезды
трансформатора, выпрямляет фазное
напряжение, а обратным для вентилей
является вторичное линейное напряжение.
Три коммутации диодов, приходящиеся на
период вторичного напряжения, приводят
к тому, что в выпрямленном токе появляется
пульсация тройной частоты (трехпульсная
схема). Частота повторяемости работы
выпрямителя равна
,
и среднее значение выпрямленного
напряжения

(45.5)

где
U2
– действующее значение вторичного
фазного напряжения.

Максимальное
обратное напряжение на вентилях,
определяющее их класс

.

(45.6)

Трехфазная нулевая
схема имеет высокий КПД и используется
в низковольтных источниках питания.
Основные недостатки связаны с низким
входным коэффициентом мощности,
усложнением питающего трансформатора
и сглаживающих фильтров.

studfiles.net