Как составить схему мостового выпрямителя

Указания к решению задания №2

Данные задачи относятся к расчету выпрямителей переменного тока, собранных на полупроводниковых дио­дах. Подобные схемы выпрямителей находят сейчас при­менение в различных электронных устройствах и приборах. При решении задачи следует помнить, что основны­ми параметрами полупроводниковых диодов являются допустимый ток I_доп, на который рассчитан данный диод, и величина обратного напряжения U_обр, которое вы­держивает диод без пробоя в непроводящий период.

Обычно при составлении реальной схемы выпрямите­ля задаются величиной мощности потребителя P_d, Вт, получающего питание от данного выпрямителя и вы­прямленным напряжением U_d, В, при котором работает потребитель постоянного тока. Отсюда нетрудно опре­делить ток потребителя . Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода I_доп, выбирают диоды для схемы выпрямителя. Следует учесть, что для однополупериодного выпрямителя ток через диод равен току потребителя, т. е. надо соблюдать условие I_доп≥I_d. Для двухполупериодной и мостовой схем вы­прямления ток через диод равен половине тока потреби­теля, т.е. следует соблюдать условие I_доп≥0,5I_d. Для трехфазного выпрямителя ток через диод составляет треть тока потребителя, следовательно, необходимо, что­бы .

Величина напряжения, действующая на диод в не­проводящий период U_В, также зависит от той схемы вы­прямления, которая применяется в конкретном случае. Так, для однополупериодного и двухполупериодного вы­прямителей U_b = π U_d=3,14U_d для мостового выпрямителя , а для трехфазного выпрямителя U_b = 2,1U_d. При выборе диода, следовательно, должнобыть выполнено условие U_обр≥U_b.

Рассмотрим примеры на составление схем выпрями­телей.

Пример 1. Составить схему мостового выпрямителя, использовав один из четырех промышленных диодов: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б. Мощность потребителя Р_d = 300 Вт, напряжение потребители U_d = 200 В.

Решение.1. Выписываем из таблицы 11 параметры указанных диодов:

Однофазная мостовая схема выпрямления

Выпрямление рассматривается здесь как процесс превращения переменного тока в постоянный с помощью электрических элементов, которые пропускают ток преимущественно или исключительно в одном направлении. Такие элементы — полупроводниковые диоды — представляют малое сопротивление при прохождении тока в одном направлении очень большое — при протекании тока в противоположном направлении.

Идеальный выпрямитель имеет нулевое сопротивление в проводящем направлении и бесконечное сопротивление в обратном направлении и является автоматическим выключателем, который замыкает и размыкает цепь при изменениях полярности напряжения.

В однофазной мостовой схеме к одной из диагоналей моста подключается источник переменного напряжения (вторичная обмотка трансформатора), а к другой – нагрузка.

В мостовой схеме диоды работают попарно: в течение одной половины периода сетевого напряжения ток протекает от вторичной обмотки трансформатора по цепи VD1, RН, VD2, а на втором полупериоде – по цепи VD3, RН, VD4, причем в каждом полупериоде через нагрузку ток проходит в одном направлении, что и обеспечивает выпрямление. Коммутация диодов происходит в моменты перехода переменного напряжения через нуль.

Рис.1. Однофазная мостовая схема выпрямления

Временные диаграммы для мостовой схемы, изображённы на рисунке 2.

У мостовой схемы в каждом полупериоде ток проходит одновременно через два диода (например, VD1, VD2), потому временные зависимости токов и напряжений будут принадлежать парам вентилей. Среднее значение напряжения на выходе выпрямителя

где U2 ? действующее значение переменного напряжения на входе выпрямителя.

Действующее значение переменного напряжения (тока) — значение постоянного напряжения (тока), развивающего в данном активном сопротивлении такую же мощность, как и рассматриваемое значение переменного напряжения (тока).

Рис. 2. Временные диаграммы работы однофазной мостовой схемы выпрямления: u2 – кривая входного переменного напряжения; iV1, iV2 – кривая тока диодов VD1 и VD2; uV1, uV2 – напряжение на диодах VD1 и VD2; iV3, iV4 – кривая тока диодов VD3 и VD4; uV3, uV4 – напряжение на диодах VD3 и VD4; iн – кривая тока нагрузки; uн – кривая напряжения на нагрузке

Действующее значение напряжения на входе выпрямителя

Среднее значение тока через диод в два раза меньше среднего значения тока нагрузки Id:

Максимальное значение тока, протекающего через диод

Действующее значение тока диода

Действующее значение переменного тока на входе выпрямителя

Максимальное обратное напряжение на диоде в непроводящую часть периода

Напряжение на нагрузке состоит из полусинусоид вторичного напряжения трансформатора, следующих одна за другой. После разложения в ряд Фурье напряжение такой формы можно представить в виде

Амплитуда основной гармоники выпрямленного напряжения с частотой 2?

следовательно, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения

Коэффициент трансформации трансформатора

Мощность первичной и вторичной обмоток вентильного трансформатора

Расчетная мощность трансформатора

В качестве недостатков однофазной мостовой схемы можно отметить: большее количество диодов и протекание тока в каждом полупериоде по двум диодам одновременно. Последнее свойство однофазных мостовых выпрямителей снижает их КПД из-за повышенного падения напряжения на полупроводниковых структурах вентилей. Это особенно заметно у низковольтных выпрямителей, работающих с большими токами.

Несмотря на отмеченные недостатки, мостовая схема выпрямления широко применяется на практике в однофазных выпрямителях различной мощности.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Мостовой выпрямитель

Мостовой выпрямитель — устройство или контур, проводящее ток в течение обеих половин цикла переменного тока. Поскольку мостовой выпрямитель использует всё вторичное напряжение, на выходе напряжение в два раза больше чем у двухполупериодного выпрямителя.

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия мостового выпрямителя

Мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, соединённых в форме «моста», причём вторичная обмотка трансформатора соединяется через противоположные углы «моста», а сопротивление нагрузки соединяется через другие два угла. Выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя, поскольку через «мост» протекает воздействие всего напряжения вторичной обмотки.

В течение первой половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D1, через сопротивление нагрузки RL, через диод D3, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

Читайте также
Двухполупериодный выпрямитель контур, проводящий ток в течение обеих половин цикла переменного тока
Однополупериодный выпрямитель контур, проводящий во время одной половины цикла переменного тока

Повторитель напряжения имеет высокое входное сопротивление, низкое выходное сопротивление и коэффициент усиления равный единице

Мостовая схема выпрямления

Мостовая схема выпрямления ( рис. 113, а) состоит из силового трансформатора Тр с двумя обмотками и четырех вентилей B 1 — В 4 , соединенных по схеме моста. Одна диагональ моста подсоединена ко вторичной обмотке силового трансформатора, другая диагональ — к нагрузке R н .

При включении первичной обмотки трансформатора в сеть во вторичной обмотке возникает переменная э. д. с. е II . Во время положительного полупериода, когда точка 1 имеет более высокий потенциал, чем точка 2, в цепи вентилей В 1 и В 3 (точка 1, В 1 , В 2 , точка 2) пройдет полуволна тока ( рис. 113, б ). К вентилям В 2 и В 4 при этом приложено обратное напряжение, они заперты. Во время следующего полупериода пройдет полуволна тока в цепи вентилей В 1 и В 4 (точка 2, В 2 , В 4 точка1); вентили В 1 и В 3 заперты. Рис. 113. Мостовая однофазная схема выпрямления (а) и временные диаграммы токов и э. д. с. (б).

Таким образом, мостовая схема представляет собой схему двухполупериодного выпрямления . Конец диагонали моста с соединенными катодами вентилей является положительным полюсом выпрямителя, а конец диагонали моста с соединенными анодами — отрицательным полюсом выпрямителя. Если напряжение сети соответствует величине заданного напряжения, которое должно быть приложено к мосту, то мостовая схема может включаться в сеть переменного тока без трансформатора.

• а) вторичная обмотка не имеет вывода от средней точки;
• б) выпрямленный ток протекает по всей вторичной обмотке в течение обоих полупериодов то в одном, то в другом направлении, поэтому отсутствует намагничивание
  сердечника трансформатора;
• в) для получения такого же выпрямленного напряжения, как и от двухполупериодной схемы с выводом средней точки трансформатора, для вторичной обмотки в мостовой схеме требуется в 2 раза меньшее число витков;
• г) токи вторичной и первичной обмоток — синусоидальны, поэтому расчетные мощности обмоток одинаковы:
  (205)
  т. е. габаритная мощность примерно на 20% ниже габаритной мощности трансформатора с выводом средней точки;
• д) обратное напряжение меньше. Действительно, напряжение вторичной обмотки приложено к двум парам последовательно включенных вентилей (один из которых открыт, а другой закрыт).

Поэтому обратное напряжение, приложенное к одному из последовательно включенных вентилей, равно напряжению на вторичной обмотке трансформатора, уменьшенному на величину прямого падения напряжения на другом, последовательно включенном, вентиле:

E mII = U обр + U пр

Если пренебречь прямым падением напряжения по сравнению с обратным, то получим

в то время как в однополупериодной и двухполупериодной схемах , рассмотренных ранее, напряжение U обр = 3,14 U ср , в 2 раза больше, чем в мостовой схеме выпрямления.

Частота пульсации и коэффициент пульсации во всех схемах одинаковы.

При сравнительном анализе схем следует учесть, что в мостовой схеме выпрямления , однако, используются четыре вентиля, а не два, как это имело место в двухполупериодной схеме с выводом средней точки. Если в качестве вентилей использовать приборы с накаливаемыми катодами, то потребуется минимум три макальных обмотки, что резко удорожает и усложняет конструкцию.

Поэтому в мостовых схемах выпрямления для повышения к. п. д. установки целесообразно применять безнакальные вентили с малым внутренним сопротивлением. Мостовые схемы выпрямления изготовляют мощностью, не превышающей 1 квт. Выпрямленное напряжение может быть очень большим (вплоть до десятков тысяч вольт).

Расчет мостовой схемы выпрямления

Заданными или известными величинами являются напряжение на нагрузке (U ср.зад , ток через нагрузку I ср , коэффициент пульсации выпрямленного напряжения K п.зад на выходе, напряжение и частота питающей сети.

Расчетные величины определяются по формулам:

Из справочника выбирается вентиль с допустимым обратным напряжением

и током через вентиль

Далее рассчитываются электрические величины, характеризующие вторичную обмотку трансформатора:

U II =(1,1÷1,3)U ср.р
I I I = 0,8I ср ;
P I I =U I I I I I

С целью получения пологой внешней характеристики, желательно выбирать фильтр, начинающийся с индуктивности.

Коэффициент пульсаций напряжения на входе фильтра

При токе нагрузки до 200 ма величина емкости звена фильтра не превышает 8—12 мкф. Задавшись емкостью звена фильтра С ф , можно определить индуктивность дросселя фильтра

Емкость конденсатора C 1 , шунтирующего дроссель, рассчитывается по формуле

Конденсатор С 1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение

U раб = 4πƒL др I ср

В заключение нужно определить расчетную (габаритную) мощность силового трансформатора, используя формулу (204 ).