Однополупериодные и двухполупериодные выпрямители переменного тока: схемы и принцип действия

Многие приборы и электросхемы рассчитаны на питание постоянным током.

Получают его путем выпрямления переменного, разными способами.

Этим занимаются специальные устройства — выпрямители переменного тока. Далее речь пойдет об их разновидностях.

Принцип действия

У переменного тока постоянно меняются два параметра:

1. величина;
2. направление.

Графическое представление этих изменений отображается синусоидой. Полуволны выше оси абсцисс, отображают движение заряженных частиц в положительном направлении, ниже — в противоположном, отрицательном.

Задача выпрямителя — сделать так, чтобы направление тока оставалось постоянным, то есть превратить его в однополярный, добиться этого можно несколькими способами:

1. отсечь отрицательные полуволны. Задействуется только половина вырабатываемой источником или генератором энергии. Поскольку ток действует только в одном полупериоде, такая схема выпрямления называется однополупериодной;
2. «опрокинуть» отрицательные полуволны относительно оси абсцисс, то есть превратить их в положительные. Вырабатываемая энергия задействуется в полном объеме и поскольку ток действует в течение обоих полупериодов, данную схему называют двухполупериодной.

Схемы выпрямителей

Схемы выпрямителей строятся на элементах с односторонней проводимостью (вентилях):

• современные низковольтные, в том числе используемые в быту: на полупроводниковых приборах — диодах и тиристорах (позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения);
• в старых устройствах и высоковольтные: на особой разновидности ламп — кенотронах.

Очевидно, что выпрямленный ток, независимо от способа выпрямления, является пульсирующим. Такую форму называют постоянно-импульсной. Некоторые потребители требуют сглаживания пульсаций, для чего схему дополняют конденсаторами.

То, какая схема выпрямления принята и какие элементы используются, влияет на характеристики выпрямителя:

1. номинальное постоянное напряжение на выходе и его разброс (диапазон изменений);
2. номинальный ток в обслуживаемой цепи;
3. входное переменное напряжения и его допустимые отклонения. Например, ~220 +/- 10%;
4. допустимая пульсация выпрямленного напряжения на выходе (частота и амплитуда);
5. нагрузочная характеристика;
6. внутреннее сопротивление;
7. коэффициент использования габаритной мощности трансформатора.

Схема выпрямления

Выше говорилось, что применяют две схемы выпрямления:

1. однополупериодную;
2. двухполупериодную.

Также схемы по числу фаз делятся на:

• однофазные;
• трехфазные.

Каждый вариант стоит рассмотреть подробно.

Для простоты понимания принципов работы выпрямителей, рассматриваются схемы для следующих условий:

1. преобразуемый переменный ток поступает со вторичной обмотки трансформатора. Это наиболее распространенный случай, ведь даже перед подачей в домашнюю электросеть высоковольтный ток преобразуется трансформатором подстанции;
2. выпрямитель питает активную нагрузку.

Однополупериодная

Самый простой вариант выпрямителя: последовательно с нагрузкой в цепь включают диод — полупроводниковый прибор с одним p-n переходом, пропускающий ток в одном направлении. Каким контактом диод подключен к нагрузке (анодом или катодом) — не имеет значения.

Разница лишь в том, что в одном случае прибор пропускает положительные полуволны, в другом — отрицательные. Открывается диод при подаче на его анод положительного потенциала.

Однофазная однополупериодная схема

Характеристики данной схемы выпрямления:

1. среднее значение напряжения: Uср = 0.318 Umax, где Umax — максимальное напряжение, то есть амплитуда выпрямляемого переменного напряжения. Для однофазной сети с действующим напряжением Uд = 220 В Umax составляет 311 В. Если за основу берется действующее значение, формула имеет вид: Uср = 0,45 Uд;
2. коэффициент пульсаций. Характеризует качество работы выпрямителя. В данном случае этот параметр составляет 1,57;
3. максимальное обратное напряжение на диоде: Uобр = Umax = 3,14 Uср.

Достоинства схемы:

• используется всего один диод;
• малые потери мощности и падение напряжения на выпрямителе.

Недостатки:

• неэффективное использование трансформатора;
• значительное обратное напряжение на диоде;
• высокий коэффициент пульсаций;
• наличие постоянной составляющей в протекающем через вторичную обмотку токе, отчего ухудшаются свойства сердечника из-за его подмагничивания;
• при работе с токами частотой 50-60 Гц требуются сглаживающие фильтры с большими габаритами.

Область применения таких выпрямителей — импульсные блоки питания (работают на частоте 10 кГц) и схемы, потребляющие малые токи.

Двухполупериодная

По двухполупериодной схеме работают такие выпрямители:

• диодный мост;
• балансная схема.

Диодный мост представляет собой замкнутую последовательность из 4-х диодов. В одну диагональ получившегося четырехугольника включают нагрузку, другую — включают в цепь вторичной обмотки трансформатора.

Схема двухполупериодного выпрямителя

При любой полярности напряжения в цепи вторичной обмотки ток через нагрузку протекает в одном направлении:

• положительная полуволна: открываются диоды VD2 и VD3, а VD1 и VD4 закрываются (для них данное напряжение — обратное);
• отрицательная полуволна: ток течет через диод VD1, нагрузку и диод VD4, тогда как диоды VD2 и VD3 напряжением с данной полярностью закрываются.

Характеристики схемы:

1. среднее напряжение: Uср = 0,9 Uд = 0,636 Umax. Для сети с действующим напряжением Uд = 220 В Uср = 198 В;
2. коэффициент пульсаций: 0,67. Свидетельствует о более качественной работе в сравнении с однополупериодной схемой;
3. обратное напряжение на диодах: Uобр = Umax /2, то есть в два раза ниже, чем в однополупериодной схеме.

Схема двухполупериодного мостового выпрямителя

Мостовая схема — наиболее распространенная. Для сглаживания пульсаций ее дополняют конденсатором. При отсутствии нагрузки, напряжение на конденсаторе равно не Uср, а Umax.

То есть если мультиметр отображает выпрямляемое переменное напряжение равным 12 В (действующее значение), то на конденсаторе напряжение составит около 17 В (амплитудное значение). При наличии нагрузки, потенциал на выводах конденсатора будет ниже, но не менее Uср. Конкретная величина зависит от емкости.

Подбирают:

• число витков вторичной обмотки, чтобы напряжение на конденсаторе не превысило допустимое;
• емкость конденсатора, чтобы напряжение под нагрузкой не оказалось слишком низким.

Протекающий через вторичную обмотку трансформатора и диоды ток, имеет вид импульсов сложной формы с амплитудой, намного превышающей средний ток нагрузки.

Это объясняется тем, что диоды открываются только на короткое время, когда мгновенное значение входного переменного напряжения превышает постоянное напряжение на выводах конденсатора (окрестность экстремумов синусоиды). Данное явление следует учитывать при расчете трансформатора.

Балансный выпрямитель (двухполупериодный со средней точкой) представляет собой два однополупериодных выпрямителя, включенных параллельно во встречном направлении. Схема действует при наличии вывода в средней точке вторичной обмотки трансформатора. Каждая часть обмотки подключается к своему выпрямителю, то есть они задействуются поочередно.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Балансную схему почти не применяют из-за двух существенных недостатков:

1. высокая металлоемкость выпрямителя;
2. значительные потери на нагрев обмотки трансформатора.

Ее применение было оправдано во времена, когда диоды еще обходились довольно дорого и уменьшение их числа с 4-х до 2-х компенсировало затраты на увеличение количества меди во вторичной обмотке.

Однофазные

Описанные выше одно- и двухполупериодная схемы выпрямления переменного тока, предназначены для однофазных цепей.

Они используются для питания потребителей небольшой мощности — не более нескольких сотен ватт. Это обмотки возбуждения мало- и среднемощных электродвигателей постоянного тока, различная электроника. Для более мощных потребителей применяют трехфазные выпрямители.

Трехфазные

Трехфазные выпрямители дают на выходе ток с меньшим коэффициентом пульсаций, чем однофазные. Это объясняется тем, что фазы частично перекрывают друг друга (смещение составляет 120⁰).

В ходе выпрямления, амплитуды фаз не складываются — только выделяется фаза с наибольшим на данный момент мгновенным значением. Трехфазные выпрямители также делятся на однополупериодные и двухполупериодные. Схема первого изображена на рисунке:

Однополупериодный трехфазный выпрямитель

Тут же изображено напряжение на выходе. Как видно, оно представляет собой сумму вершин синусоид каждой фазы. При этом глубина пульсаций в сравнении с однофазными выпрямителями заметно ниже.

Подключение вторичных обмоток трансформатора для данной схемы — только «звездой» с нулевым выводом от трансформатора. Схема двухполупериодного трехфазного выпрямителя является мостовой, за ней закрепилось название «схема Ларионова».

Используется шесть диодов, образующих две группы:

1. анодную: диоды VD2, VD4, VD6;
2. катодную: VD1, VD3, VD5.

Схема Ларионова

Нагрузка включается одним полюсом в точку соединения катодов, другим — в точку соединения анодов. Ток протекает по одному диоду из катодной группы и по одному из анодной. При этом диоды в группах через каждую треть периода меняются. Из катодной группы задействуется диод с наибольшим положительным потенциалом анода, из анодной — с наименьшим отрицательным потенциалом катода.

Достоинства схемы:

• низкий коэффициент пульсации: 0,057;
• возможность подключать обмотки трансформатора любым способом: «звездой» без нулевого провода или треугольником.

Управляемые выпрямители

Управляемые выпрямители позволяют регулировать величину выпрямленного напряжения. Вместо диодов применяются тиристоры — полупроводниковые приборы, открывающиеся по сигналу. Задавая время открывания, можно отсекать большую или меньшую часть полуволны.

Однофазная двухполупериодная схема с общей точкой на тиристорах показана на рисунке. От аналогичной схемы на диодах она отличается присутствием системы управления (СУ), формирующей импульсы для открывания тиристоров.

От времени подачи этого импульса (точки t0, t1, t2 и t3 на рисунке) зависит, какую часть полуволны пропустит тиристор. Это время, в свою очередь, зависит от сдвига по фазе управляющих импульсов относительно входного напряжения (угол регулирования или управления), задаваемого пользователем.

Применяются управляемые выпрямители, например, для таких целей:

• регулирование частоты вращения двигателей постоянного тока;
• изменение яркости светильника;
• зарядка аккумуляторов.

Видео по теме

О выпрямителях переменного тока в видео:

Полупроводниковые и кенотронные выпрямители получили наибольшее распространение, но ими перечень подобных приборов не исчерпывается. Существуют электрохимические, игнитронные, газотронные и многие другие разновидности. Выбирать модель следует с учетом особенностей электропотребителя.