что такое средняя точка трансформатора

Варианты схем двухполупериодных выпрямителей

Практически все электронные приборы работают от постоянного тока. Такой подход значительно снижает количество применяемых электронных компонентов, размер схемы и затраты на производство прибора.

Для преобразования переменного электрического напряжения в постоянное используются выпрямители. Статья даст подробное объяснение, что такое двухполупериодные выпрямители. Опишет их принцип работы, разновидности, основные преимущества и недостатки.

Назначение

Основное назначение однофазного двухполупериодного выпрямителя – это преобразование переменного тока в постоянный. Для того чтобы понять принцип действия такого выпрямителя, необходимо разобраться, что такое однополупериодное выпрямление.

Однополупериодный выпрямитель представляет собой устройство, которое состоит из трансформатора и одного диода (вентиля), подключенного ко вторичной обмотке трансформатора. Работает устройство следующим образом:

Таким образом по цепи пропускается только ток с высокой пульсацией. Для того чтобы сгладить этот эффект, схема дополняется конденсатором с высокой емкостью. Основной недостаток такой схемы – большая потеря тока и необходимость использования мощных сглаживающих конденсаторов. Подобное устройство применяется, например, для зарядных блоков мобильных телефонов.

Двухполупериодный однофазный выпрямитель построен примерно по схожей схеме. Главное отличие заключается в добавлении 2-х и более полупроводниковых диодов для сглаживания обоих полупериодов. Существуют следующие разновидности подобных элементов:

Каждое устройство использует различное количество преобразователей, а значит имеет различный принцип работы.

Схема со средней точкой

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой предполагает наличие трансформатора с двумя вторичными обмотками, имеющими центральный вывод. Так же может использоваться трансформатор с одной вторичной обмоткой, но он будет обязательно иметь вывод из центра обмотки. Кроме того в составе схемы имеются 2 диода. Выпрямитель с нулевым выводом работает за счет образования разных по направленности ЭДС. Обе эти ЭДС равны по величине сформированного напряжения относительно центра или 0 точки. При работе такого трансформатора, ток на обоих полуобмотках сдвинут по фазе на 180 градусов.

Принцип работы данного выпрямителя следующий:

Двухполупериодная схема с нулевой точкой работает за счет отсутствия момента подмагничивания. Каждая половина вторичной обмотки работает в свой полупериод, а значит трансформатор находится в состоянии постоянной нагрузки.

Плюсы

У схемы с нулевым выходом есть преимущества только перед моделью однопериодного выпрямителя. Основные достоинства такой схемы:

Несмотря на ряд преимуществ, однофазные выпрямители с двумя диодами имеют свои недостатки, о которых будет рассказано ниже.

Минусы

Для работы такой сцепи обязательно необходим специальный трансформатор с 2 вторичными обмотками или одной разделенной, с нулевым выходом. Такие устройства сильно повышают затраты на производство высоковольтных, мощных приборов.

Также большим минусом является нагрузка обратным током. В схеме должны быть использованы диоды с номинальным напряжением до 1000 вольт и возможностью выдерживать температуру до +80 градусов. Если эти параметры не соблюдаются, то при закрытии диода будет формироваться повышенная температура и сопротивление. Превышения параметров приведет к пробою самого диода.

Следующим минусом является использование самого нулевого отвода. Подключение к нему предполагает только использования части доступной энергии, что сильно снижает потенциал таких устройств.

Диодный мост

Второй разновидностью является двухполупериодный мостовой выпрямитель. Данная модель наиболее распространена в цепях бытовых и промышленных электронных приборов. Состав электронного элемента:

Работает устройство по мостовой схеме следующим образом:

При такой работе остается эффект пульсации тока. Его сглаживают с помощью емкостного конденсатора.

Преимущества

Двухполупериодное мостовое выпрямление имеет одно неоспоримое преимущество перед схемами с меньшим количеством диодов. Оно заключается в величинах обратного выпрямленного тока и напряжения. Эти величины превышают те же параметры в других схемах в 2 и более раз. Тем самым, мостовая схема имеет значительно большее КПД.

Минусы

Недостатки диодного моста также заключены в количестве диодов. Каждые из 4 диодов сохраняют в закрытом положении величину обратного напряжения, которое равняется напряжению в однополупериодном выпрямителе. Тем самым, 4 диода не способствуют уменьшению нагрузки обратного тока на вторичную обмотку.

Несмотря на недостатки, схема мостового выпрямителя более распространенная. Она может монтироваться в качестве 4 диодов или в сборке. Сборка выглядит более практичным вариантом. Она занимает меньше места на печатной плате.

Сглаживание

Однофазный электрический двухполупериодный выпрямитель, независимо от того, сколько диодов он совмещает, требует дополнительного сглаживания выходного напряжения. Пульсация сильно влияет на работу самого устройства, для которого собран такой выпрямитель. Для сглаживания пульсации тока схема выпрямления дополняется фильтрами. Они могут быть собраны из:

При проектировании диодных выпрямителей учитывается нагрузка последующих элементов цепи. Так, если сопротивление после выпрямителя значительно малое, то использование емкостного фильтра нецелесообразно. При малой нагрузке потребуется более емкостный конденсатор. Таким образом для подобных схем с малым сопротивлением, более рационально использовать индуктивный фильтр.

Расчет значения диодов

Диоды в двухполупериодных выпрямителях должны выдерживать нагрузку переменным током, нагревом, обратным напряжением. При подборе диода необходимо учесть:

Также стоит учитывать материал, который используется в качестве полупроводника. Кремневые элементы более устойчивы к нагрузке обратным током и способны работать при температуре до +150 градусов. Германиевые менее устойчивы, их устойчивость к обратному напряжению составляет около 400 вольт.

Заключение

Однофазная схема двухполупериодного выпрямителя используется практически во всех современных приборах. Такие элементы более дешевые, устойчивые к нагрузкам, позволяют применять диодные сборки, уменьшая при этом общий размер цепи. Так же такие схемы легко проектировать, ремонтировать и дополнять самостоятельно, зная только принцип работы этих устройств.

Видео по теме

Источник

Что такое средняя точка трансформатора

Выпрямители

Назначение выпрямителя

Назначение выпрямителя

Выпрямители используются для превращения переменного напряжения в постоянное. Их схемотехника состоит в том, чтобы направить входной переменный ток таким образом, чтобы через выходную нагрузку он протекал только в одном направлении. Выпрямители бывают пассивные и активные. В пассивных выпрямителях используются приборы с односторонней проводимостью – диоды. В активных выпрямителях используются электронные коммутационные элементы (MOSFET, IGBT, биполярные), включаемые по определенному алгоритму с синхронизацией с полярностью входного напряжения. Поэтому они часто называются синхронными выпрямителями.

Часто выпрямитель устанавливается сразу после трансформатора. Это справедливо как для низкочастотных, так и для высокочастотных схем. Поэтому схемотехника выпрямителей будет представлена в связке с трансформатором и пока только с резистивной нагрузкой.

Однополупериодный выпрямитель

Самая простая схема выпрямления (рисунок RECT.1). Всего один диод. В течение положительной полуволны диод открыт и напряжение прикладывается к нагрузке. Соответственно через нагрузку течет ток. Во время отрицательной полуволны диод закрыт, и ток через нагрузку не протекает. В результате максимальная амплитуда напряжения на нагрузке V_R меньше амплитуды входного переменного напряжения V_A на величину V_F – прямого падения напряжения на диоде:

Выходное напряжение имеет форму полусинусоидальных волн (рисунок RECT.2) чередующихся паузами длительностью полпериода. Трансформатор нагружен только в периоды прямой проводимости диода. Максимальное напряжение на диоде равно удвоенному входному максимальному напряжению 2V_A.

— только один диод, минимальная сложность схемы, минимальная стоимость выпрямления;

— высокие пульсации напряжения в нагрузке;

— подмагничивание сердечника трансформатора, неравномерная нагрузка на сеть (относится к низкочастотным трансформаторам, и импульсным двухтактным схемам) вследствие того, что мощность потребляется только в течение половины периода.

— в обратноходовых и прямоходовых однотактных преобразователях;

— в дополнительных цепях питания, имеющих существенном меньшую нагрузку по сравнению с основной.

Мостовой выпрямитель

Наиболее распространенная двухполупериодная схема выпрямления (рисунок RECT.3).Четыре диода, включенные таким образом, что работают попеременно. В течение положительного полупериода ток проводят диоды VD2 и VD3, в течение отрицательного – VD1 и VD4. Таким образом, мостовой выпрямитель обеспечивает подключение нагрузки к источнику в течение всего периода переменного напряжения. Выходное напряжение имеет форму полусинусоидальных волн, следующих друг за другом (рисунок RECT.4). Амплитуда напряжения на нагрузке меньше амплитуды входного переменного напряжения на величину 2V_F – сумму падения напряжения на диодах, поскольку в мостовой схеме ток проходит через два диода:

Именно поэтому применение мостовой схемы нецелесообразно при низких входных напряжениях (менее 12-15 В) поскольку «все упадет» на диодах.

Максимальное напряжение на диодах равно единичному входному максимальному напряжению V_A.

Рисунок RECT.4 Форма временных диаграмм напряжений на входе (синий) и выходе (красный) мостового выпрямителя

— малые пульсации напряжения в нагрузке;

— обеспечивает симметричную нагрузку трансформатора (без подмагничивания);

— нет необходимости в использовании хитрого трансформатора со средней точкой.

— четыре диода, определенная сложность схемы,

— высокий относительный уровень потерь (низкий КПД) при малом входном напряжении.

— в выходных выпрямителях двухтактных преобразователей при высоком выходном напряжении (более 15 В);

— в схемах с низкочастотным трансформатором;

— во входной цепи преобразователей с бестрансформаторным входом;

— в дополнительных цепях питания.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой трансформатора

Основная схема выпрямления для малых выходных напряжений (12 В и менее). Особенность схемы состоит в использовании фактически двух выходных обмоток трансформатора, соединённых вместе так, чтобы напряжение на выводах обмоток относительно общей точки было противоположно по фазе (рисунок RECT.5). При этом в течение одного полупериода «работает» обмотка «1» с диодом VD1, а в другом полупериоде «работает» обмотка «2» с диодом VD2. При этом «полусинусоиды» поочередно складываются в результирующее напряжение на нагрузке, имеющее форму полуволн следующих друг за другом, как в мостовом преобразователе (рисунок RECT.6). Амплитуда напряжения на нагрузке меньше амплитуды входного переменного напряжения на величину V_F – прямого падения напряжения на диоде:

В некотором роде этот выпрямитель представляет собой два однополупериодных выпрямителя включенных параллельно друг другу, но питающихся от обмоток находящихся в противофазе. Максимальное напряжение на диодах равно удвоенному входному максимальному напряжению 2V_A.

— малые пульсации напряжения в нагрузке;

— обеспечивает симметричную нагрузку трансформатора (без подмагничивания);

— всего два диода, меньше в двухполупериодных схемах не бывает;

— высокая энергетическая эффективность, в том числе при малых выходных напряжениях.

— использование хитрого трансформатора с отводом от средней точки или соединенных двух обмоток, кроме этого габаритная мощность трансформатора должна быть выше по сравнению с мостовой схемой;

— два диода, сравнительная сложность схемы подключения вследствие необходимости соблюдать фазировку обмоток трансформатора;

— высокий относительный уровень потерь (низкий КПД) при малом входном напряжении.

— в выходных выпрямителях двухтактных преобразователей, в том числе при низком выходном напряжении (более 15 В);

— в схемах с низкочастотным трансформатором;

— в сильноточных и низковольтных цепях.

В реальности амплитуды напряжений обмоток (и их мощности) могут несколько отличаться друг от друга. Это необходимо контролировать экспериментально.

Работа выпрямителей совместно с конденсатором фильтра

Как правило, выпрямители работают в связке с конденсатором фильтра выполняющим функцию буферного накопителя энергии и сглаживающим пульсации напряжения. Эта схема включения выпрямителей имеет свои особенности. Об этом ниже.

Однополупериодный выпрямитель с конденсатором фильтра

Каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на два интервала (рисунок RECT.8):

I – в течение первого интервала когда напряжение источника превышает текущее значение напряжения на конденсаторе, диод находится в прямом смещении и проводит ток который подзаряжает конденсатор фильтра.

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на только что подзаряженном конденсаторе фильтра, при этом к диоду приложено обратное напряжение и он не проводит ток. В этом интервале напряжение на фильтрующем конденсаторе плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки. Величина обратного напряжения приложенного к диоду складывается из напряжения на конденсаторе V_C и напряжения источника (обратная полуволна). Таким образом, в точке максимума к диоду фактически прикладывается удвоенное напряжение источника.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит только один раз в течение всего периода. К диоду прикладывается удвоенное напряжение питания выпрямителя.

Мостовой выпрямитель с конденсатором фильтра

В данном случае каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на четыре интервала (рисунок RECT.10):

I – в течение первого интервала текущее значение напряжения источника (положительная полуволна) превышает напряжение на конденсаторе, диоды VD2, VD3 в открыты прямом смещении и ток источника подзаряжает конденсатор фильтра. При этом к диодам VD1, VD4 прикладывается обратное напряжение равное V_A (которое в этот период достигает своего максимума):

V_F – прямого падения напряжения на диоде.

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диодам VD2, VD3прикладывается запирающее напряжение. В этот период все диоды моста находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.10):

Напряжение на фильтрующем конденсаторе V_C плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

III – в течение третьего интервала в момент когда напряжение отрицательной полуволны превышает напряжение на конденсаторе, другая пара диодов VD1, VD4 открывается и снова подзаряжается конденсатор фильтра. При этом уже к другой паре диодов VD2, VD3 прикладывается обратное напряжение равное V_A (которое в этот период достигает своего максимума).

IV – в течение четвертого интервала, который начинается когда напряжение источника становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диодам VD2, VD3прикладывается запирающее напряжение. В этот период все диоды моста находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.10):

В течение интервала напряжение на фильтрующем конденсаторе плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит два раза в течение всего периода. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно амплитуде напряжения питания выпрямителя.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой с конденсатором фильтра

Аналогично мостовому выпрямителю каждый из циклических периодов работы схемы однополупериодного выпрямителя с конденсатором фильтра можно условно разделить на четыре интервала (рисунок RECT.12):

I – в течение первого интервала текущее значение напряжения V_A1 верхней обмотки превышает напряжение на конденсаторе, диод VD1 в открыт и к конденсатор фильтра подзаряжается. При этом диоду VD2 прикладывается обратное напряжение сумме напряжений обмотки трансформатора V_A2 (которое в этот период достигает своего максимума) и напряжения на конденсаторе V_C:

II – в течение второго интервала, который начинается когда напряжение на верхней обмотке становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра C_F к диоду VD1 прикладывается запирающее напряжение. В этот период оба диода находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.12):

В течение интервала напряжение на конденсаторе фильтра плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

III – в течение третьего интервала аналогично интервалу I когда текущее значение напряжения V_A2 верхней обмотки превышает напряжение на конденсаторе, диод VD2открывается и конденсатор фильтра подзаряжается. К диоду VD1 прикладывается обратное напряжение сумме напряжений обмотки трансформатора V_A1 (которое в этот период достигает своего максимума) и напряжения на конденсаторе V_C:

IV – в течение четвертого интервала, который начинается когда напряжение на нижней обмотке V_A2 становится меньше напряжения на подзаряженном конденсаторе фильтра к диоду VD2 прикладывается запирающее напряжение. В этот период оба диода находятся в закрытом состоянии и напряжение между ними перераспределятся по закону (рисунок RECT.12):

В течение интервала напряжение на конденсаторе фильтра плавно уменьшается в результате разряда током нагрузки.

Резюме: Подзаряд конденсатора фильтра происходит два раза в течение всего периода. Максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду равно удвоенной амплитуде напряжения на обмотке V_A1, V_A2.

Расчет емкости конденсатора при заданном уровне пульсаций напряжения на выходе мостового выпрямителя с конденсатором фильтра

Напряжение на входе и выходе мостового выпрямителя имеет вид, представленный на рисунке RECT.13 [Источники вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. Бас А.А., Миловзоров В.П., Мусолин А.К. М.: Радио и Связь, 1987. 160 с.]. Там же представлены формы импульсов тока через диоды и тока нагрузки.

Видно, что энергия, запасаемая в конденсаторе фильтра передается в нагрузку в течение времени:

θ – угол в радианах (часть периода) в течение которого осуществляется заряд конденсатора.

Количество переданной энергии равно:

P – мощность, потребляемая нагрузкой.

С другой стороны, количество переданной энергии также равно:

V_{C_max} – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔV_С – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

C_f – емкость конденсатора фильтра.

Приравнивая эти выражения для количества переданной энергии получим:

То можно выразить емкость конденсатора, обеспечивающую заданный уровень пульсаций:

При малом уровне пульсаций можно полагать, что:

I_{load_rms} – среднеквадратичное значение тока нагрузки;

V_{out_ rms} – среднеквадратичное значение напряжения на нагрузке.

Или сокращая множители в числителе и знаменателе получаем выражения для расчета емкости конденсатора фильтра С_f обеспечивающий заданный уровень пульсаций ΔV_С (при условии синусоидальной форме напряжения):

V_{C_max} – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔV_С – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

I_{load_rms} – действующее (среднеквадратичное) значение тока нагрузки;

Здесь максимальное напряжение на конденсаторе фильтра V_{C_max} меньше амплитуды входного переменного напряжения V_A на величину падения напряжения на выпрямителе V_rect:

Соотношения для расчета емкости конденсатора для двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с конденсатором фильтра аналогично.

Расчет амплитуды импульсов тока при заданном уровне пульсаций напряжения на выходе мостового выпрямителя с конденсатором фильтра

Оценим амплитуду импульсов тока через диоды мостового выпрямителя.

Длительность импульса тока Δt_θ составляет:

Принимаем, что амплитуда пульсаций тока незначительна и ток через нагрузку можем считать постоянным и равным среднему току нагрузки I_{load_avg}, тогда заряд, протекающий через нагрузку в течение половины периода равен:

Из равенства электрического заряда проходящего через диоды полумоста Q_VD и заряда проходящего через нагрузку Q_load в течение полупериода следует соотношение:

Откуда следует выражение для определения амплитуды импульсов тока:

Подставляя в которое выражение для длительности импульса тока Δt_θ получаем:

V_{C_max} – максимальное напряжение на конденсаторе фильтра;

ΔV_С – абсолютные значения пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра;

I_{load_avg} – среднее значение тока нагрузки;

Расчет по данным соотношениям имеет погрешность порядка 20-30 % (но в большую сторону, то есть с запасом).

Соотношения для расчета пульсаций напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя со средней точкой с конденсатором фильтра аналогично.

Источник