Tehnik-ast.ru

Электро Техник
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Сайт Георгия Таненгольца;>Главная -> | ->Мой профиль -> | ->Регистрация -> | ->Выход -> | ->Вход -> | RSS

Каталог статей

Выпрямление переменного напряжения на примере автомобильного генератора

Для электрооборудования автомобиля нужно постоянное. Почему?

Во-первых, есть еще аккумулятор (второй источник), его можно заряжать только постоянным током.

Во-вторых все электрооборудование должно работать и от аккумулятора, а значит оно рассчитано на постоянное напряжение, в-третьих, на автомобиле очень много электроники, а питание электроники тоже должно быть постоянным напряжением.

график переменного напряжения

Так выглядят графики переменного и постоянного напряжения.

В данном случае показана синусоида, хотя может быть кривая любой формы.

График постоянного напряжения. Время идет (по оси Х), а напряжение остается неизменным.

Получить из переменного напряжения постоянное это значит выпрямить.

Для выпрямления надо сделать так, чтобы ток мог проходить только в одном направлении.

Элемент, который пропускает ток только в одном направлении, называется диод.

диод

На схемах диод обозначается так

Если для выпрямления использовать один диод, то напряжение на нагрузке получится пульсирующим.

однополупериодный выпрямитель

однополупериодное выпрямление

Тем не менее, такое напряжение уже можно использовать для питания некоторых маломощных приборов постоянного тока. В этом пульсирующем напряжении есть постоянная составляющая.

Если переменное напряжение будет, например, 10 Вольт, то постоянная составляющая выпрямленного напряжения будет 4,5 Вольта.

Мало, для каких-то случаев нормально, но в нашем случае мало.

Диодный мост

Можно лучше использовать переменное напряжение, но придется использовать 4 диода, такой выпрямитель называется мостовой или диодный мост.

двухполупериодный мостовой

двухполупериодное выпрямление

Почему такая схема соединения диодов называется МОСТ

Мост — один из вариантов соединения в электротехнике

Варианты изображения диодного моста

Диодные мосты

Нагрузка как мост включается между плечами, которые состоят из пары диодов

Переменный ток идет то по синему пути, то по красному, но через нагрузку он идет всегда в одну сторону, а это значит выпрямляется.

Диодный мост не просто отрезает отрицательные полуволны переменного напряжения, а переворачивает их, то есть, направляет обратный ток через нагрузку, в туже сторону, что и прямой ток, то есть, используются все полуволны и постоянная составляющая увеличивается вдвое. Все полуволны тока создают напряжение на нагрузке одной полярности.

Если переменное напряжение 10 Вольт, то постоянное получится 9 Вольт, уже хорошо.

Но пульсации такого напряжения слишком сильные и чтобы сделать напряжение похожим на постоянное надо применять фильтры. которые ослабят переменную составляющую по сравнению с постоянной. Мостовой выпрямитель — основная схема выпрямления для однофазных цепей.

Трехфазная система

Значительно лучше напряжение становится, если генератор переменного напряжения трехфазный.

У генератора три обмотки, которые соединяются звездой или треугольником.

треугольник и звезда

Магнитный ротор генерирует в них напряжение со сдвигом 120 градусов. Получается три переменных напряжения отстающих друг от друга 120 градусов.

Сдвиг фаз

схема Ларионова

Он, как положено диодному мосту, не просто отрезает отрицательные полуволны, переворачивает их наверх, направляя ток отрицательных полуволн, в ту же строну, что и ток положительных полуволн.

три фазы выпрямление

Большое преимущество, по сравнению с однофазным выпрямлением получается в том, что пульсации сильно снижаются и напряжение становится очень похоже на постоянное.

При однофазном выпрямлении, каждая следующая полуволна начинается только тогда, кода предыдущая достигает нуля, а при трехфазном действии напряжения на диодный мост, получается так, что напряжение спадающей полуволны подхватывается растущей полуволной следующей фазы, которая уже давно началась и, значит, напряжение на нагрузке никогда не спадает до нуля, а остается все время на высоком уровне, мелкие пульсации, которые получаются, уже очень близки к постоянному напряжению.

Читайте так же:
Верстак своими руками из дерева фото чертежи

трехфазный выпрямитель

Аккумулятор как фильтр сглаживает эти пульсации, а регулятор напряжение поддерживает практически постоянное напряжение.

Схема и принцип действия диодного моста

принцип действия диодного моста

Компоненты электрической цепи

Преобразовать переменный ток в постоянный поможет диодный мост — схема и принцип действия этого устройства приводятся ниже. В обычной осветительной цепи течет переменный ток, который 50 раз в течение одной секунды меняет свою величину и направление. Его превращение в постоянный — достаточно часто встречающаяся необходимость.

Принцип действия полупроводникового диода

Полупроводниковый диод

Рис. 1

Название описываемого устройства ясно указывает, что эта конструкция состоит из диодов — полупроводниковых приборов, хорошо проводящих электричество в одном направлении и практически не проводящих его в противоположную сторону. Изображение этого прибора (VD1) на принципиальных схемах приведено на рис. 2в. Когда ток по нему течет в прямом направлении — от анода (слева) к катоду (справа), сопротивление его мало. При изменении направления тока на противоположное сопротивление диода многократно возрастает. В этом случае через него течет мало отличающийся от нуля обратный ток.

Поэтому при подаче на цепочку, содержащую диод, переменного напряжения Uвх (левый график), электричество через нагрузку течет только в течение положительных полупериодов, когда к аноду приложено положительное напряжение. Отрицательные полупериоды «срезаются», и ток в сопротивлении нагрузки в это время практически отсутствует.

Строго говоря, выходное напряжение Uвых (правый график) является не постоянным, хотя и течет в одном направлении, а пульсирующим. Нетрудно понять, что количество его импульсов (пульсаций) за одну секунду равно 50. Это не всегда допустимо, но пульсации можно сгладить, если подсоединить параллельно нагрузке конденсатор, имеющий достаточно большую емкость. Заряжаясь во время импульсов напряжения, в промежутках между ними конденсатор разряжается на сопротивление нагрузки. Пульсации сглаживаются, а напряжение становится близким к постоянному.

Изготовленный в соответствии в этой схемой выпрямитель называется однополупериодным, поскольку в нем используется лишь один полупериод выпрямленного напряжения. Наиболее существенные недостатки такого выпрямителя следующие:

  • повышенная степень пульсаций выпрямленного напряжения;
  • низкий КПД;
  • большой вес трансформатора и его нерациональное использование.

Поэтому применяются такие схемы только для питания устройств малой мощности. Для исправления этой нежелательной ситуации разработаны двухполупериодные выпрямители, которые превращают отрицательные полуволны в положительные. Сделать это можно по-разному, но самый простой способ — использование диодного моста.

Схема диодного моста

Схема диодного моста

Рис. 2

Диодный мост — схема двухполупериодного выпрямления, содержащая 4 диода вместо одного (рис. 2в). В каждом полупериоде два из них открыты и пропускают электричество в прямом направлении, а два других закрыты, и ток через них не течет. Во время положительного полупериода положительное напряжение приложено к аноду VD1, а отрицательное — к катоду VD3. В результате оба этих диода открыты, а VD2 и VD4 — закрыты.

Во время отрицательного полупериода положительное напряжение приложено к аноду VD2, а отрицательное — к катоду VD4. Эти два диода открываются, а открытые во время предыдущего полупериода закрываются. Ток через сопротивление нагрузки течет в том же направлении. В сравнении с однополупериодным выпрямителем количество пульсаций возрастает вдвое. Результат — более высокая степень сглаживания при той же емкости конденсатора фильтра, увеличение КПД используемого в выпрямителе трансформатора.

Диодный мост может быть не только собран из отдельных элементов, но и изготовлен как монолитная конструкция (диодная сборка). Ее легче монтировать, а диоды обычно подобраны по параметрам. Немаловажно и то, что они работают в одинаковых тепловых режимах. Недостаток диодного моста — необходимость замены всей сборки при выходе из строя даже одного диода.

Читайте так же:
Как резать фанеру на лазерном станке

Еще ближе к постоянному будет пульсирующий выпрямленный ток, который позволяет получить трехфазный диодный мост. Его вход подключается к источнику трехфазного переменного тока (генератору или трансформатору), а напряжение на выходе почти не отличается от постоянного, и сгладить его еще проще, чем после двухполупериодного выпрямления.

Выпрямитель на основе диодного моста

Рис. 3

Рис. 3

Схема двухполупериодного выпрямителя на основе диодного моста, пригодная для сборки своими руками, изображена на рис. 3а. Выпрямлению подвергается напряжение, снимаемое со вторичной понижающей обмотки трансформатора Т. Для этого нужно подключить диодный мост к трансформатору.

Пульсирующее выпрямленное напряжение сглаживается электролитическим конденсатором С, имеющим достаточно большую емкость — обычно порядка нескольких тысяч мкФ. Резистор R играет роль нагрузки выпрямителя на холостом ходу. В таком режиме конденсатор С заряжается до амплитудного значения, которое в 1,4 (корень из двух) раза выше действующего значения напряжения, снимаемого со вторичной обмотки трансформатора.

С ростом нагрузки выходное напряжение уменьшается. Избавиться от этого недостатка можно, подключив к выходу выпрямителя простейший транзисторный стабилизатор. На принципиальных схемах изображение диодного моста часто упрощают. На рис. 3б показано, как еще может быть изображен соответствующий фрагмент на рис. 3а.

Следует заметить, что, хотя прямое сопротивление диодов невелико, тем не менее, оно отлично от нуля. По этой причине они нагреваются в соответствии с законом Джоуля-Ленца тем сильнее, чем больше величина тока, протекающего по цепи. Для предотвращения перегрева мощные диоды часто устанавливаются на теплоотводах (радиаторах).

Диодный мост — это практически обязательный элемент любого электронного устройства, питающегося от сети, будь то компьютер или выпрямитель для зарядки мобильного телефона.

Диодный мост, как правильно подобрать номинал конденсаторов . Напряжение после конденсатора и диодного моста

Как конденсатор сглаживает пульсации переменного тока

Способ получения постоянного тока из переменного синусоидального (идеализированный вид) при использовании одно или двух полупериодного выпрямителя имеет ряд недостатков, о которых мы и поговорим далее.
Главным недостатком такого выпрямителя является пульсирующее напряжение. Избавление от пульсаций напряжения, их сглаживание – необходимое условие для корректной работы многих электрических приборов, особенно это касается радиоаппаратуры, где такой вид напряжения вносит хорошо заметные помехи. Так называемые, сглаживающие фильтры применяют для устранения пульсаций выходного тока и напряжения.

ЕмкостнойИндуктивныйГ-образныйП-образный

Так же используют различные комбинации выше перечисленных фильтров для достижения необходимого качества напряжения.

Как работает С-фильтр?

Принцип работы сглаживающих фильтров основывается на свойствах конденсатора и катушки индуктивности. Они выполняют роль резервуара энергии. Как известно, напряжение на конденсаторе не может измениться мгновенно, а на индуктивности ток не может мгновенно возрасти или исчезнуть . Эти свойства и положены в основу работы сглаживающих фильтров, рассмотрим это на примерах.

Схема С-фильтра (емкостной)

На рисунке выше, к первичной обмотке трансформатора подводиться переменное напряжение U, ко вторичной обмотке подсоединена нагрузка Rн, через которую должен протекать постоянный (выпрямленный) ток. Роль выпрямителя в представленной схеме играет диод, как работает полупроводниковый диод, Вы можете прочесть здесь. Конденсатор С – фильтрующий элемент.

Вид выходных тока и напряжения на С-фильтре

Действия диода во вторичной цепи трансформатора описывает серая, пульсирующая кривая. Если быть точным, диод обрезал отрицательную часть переменного напряжения, он пропускает только положительную волну, а при приложении отрицательного напряжения – запирается. Конденсатор С, как уже говорилось раннее – резервуар энергии. Когда диод открыт и ток протекает через нагрузку, то конденсатор (подсоединен параллельно) заряжается до величины напряжения в цепи. А когда диод закрыт (отрицательная волна синусоиды), благодаря наличию емкости, уровень напряжения не может резко снизиться. Конденсатор постепенно разряжается через нагрузку, таким образом, сглаживая огромные скачки уровня напряжения. Разряжается он до следующей положительной волны, а точнее, когда напряжение на катоде диода превысит напряжение на конденсаторе. И он вновь начнет заряжаться. Такая цикличность действий будет происходить постоянно. Красный цвет линии изображает работу такой смоделированной системы.

Читайте так же:
Как усилить антенну для телевизора своими руками

Если в качестве выпрямителя применять диодный мост, то выходные ток и напряжения приобретут следующий вид:

Благодаря тому, что диодный мост работает и при положительном, и при отрицательном напряжении — пульсность увеличилась в два раза.

Обратите внимание на вид тока (синий), из-за наличия конденсатора ток имеет резкий скачок, что в свою очередь не есть хорошо для любого электроприбора. На помощь в сложившейся ситуации приходит катушка индуктивности.

Роль индуктивности в сглаживании

Схема Г-образного фильтра (L+C)

От ранее описанной схемы L-фильтр отличается лишь тем, что вместо конденсатора, последовательно с нагрузкой подсоединена катушка индуктивности. На индуктивности ток не может измениться моментально. По этому, при положительной части полуволны (нарастание) ток с небольшой задержкой увеличивает свое значение, а когда происходит спадание – катушка наоборот не дает значению тока резко упасть, создается некоторое запаздывание. Результат действия катушки L можете наблюдать на представленном ниже изображении. Благодаря катушке, изменение значения тока происходит более плавно. Первую волну можете не принимать во внимание , при пуске происходят различные переходные процессы, которые и вызывают подобные вещи.

Разница в применении диодного моста и диода

1. Диодный мост работает постоянно (при положительной и отрицательной волне), что увеличивает пульсность выходного напряжения. Соответственно, для получения одного и того же значения напряжения, конденсатор в мостовой схеме нужен меньшей емкости, так как может себе «позволить» разряжаться быстрее.

2. При применении одного диода, имеет место момент времени, когда диод заперт и напряжение между его катодом и анодом равно двухкратному напряжению цепи (на катоде положительное значение благодаря конденсатору, а на аноде отрицательная полуволна, достигшая пика). По этому при выборе диода для выпрямителя, необходимо учесть, что его импульсное обратное напряжение должно превышать 2 значения рабочего напряжения. При работе диодного моста такого нюанса нет, так как диоды в этой схеме работают попарно при + и – волне.

3. Не нужно забывать про свойства полупроводниковых диодов. Ведь при прохождении p-n перехода существует падение напряжения, которое обязательно необходимо учитывать при подборе сглаживающего фильтра. Здесь выигрывает простой диод над диодным мостом. Потому что у него напряжение снижается лишь на одном элементе, а в мостовой схеме, ток в один момент времени протекает по двум полупроводникам. Этот эффект нагляден на рисунках ниже:

Влияние малой нагрузки на эффективность сглаживания

Активное сопротивление катушки индуктивности находится по формуле:

Эффективность индуктивного и емкостного фильтров повышается при соблюдении следующих условий:

Исходя из этого, при очень малой нагрузке (сопротивления потребителя) невозможно будет использовать конденсаторный сглаживающий фильтр. Чем меньше нагрузка, тем большая емкость конденсатора требуется . При уменьшении сопротивления нагрузки, фильтр стает менее эффективным (недостаточный конденсатор для этого потребителя).

Вид выпрямленного напряжения при малой нагрузке (рисунок ниже):

— выпрямление диодом;
— мостовая схема.

Результат недостаточного сопротивления нагрузки в диодном мосте

Расчет конденсаторного фильтра

Пример . Допустим, у нас есть источник переменного напряжения U=12 B (действующее значение), в то время как его амплитуда будет равна 17 В. Подробнее о значениях переменного напряжения и их зависимостях читайте по ссылке. Сопротивление нагрузки Rн=300Ом. Выпрямление будем производить одним диодом, а С-фильтр — сглаживающий элемент цепи.

Читайте так же:
В каком положении можно устанавливать циркуляционный насос

Напряжение после диодного моста — studvesna73.ru

Очень много вопросов задают по статье как получить из переменного напряжения постоянное. Напомню, что мы получали постоянное напряжение с помощью типичной схемы, которая используется во всей электронике:

Да, та статья получилась чуток сыровата, но суть преобразования переменного тока в постоянный вроде бы объяснил. Но все равно, очень много вопросов идут в личку именно по этой статье. И тут приходится снова начинать писать по полчаса ответ каждому любопытному читателю. Поэтому я решил для всех вас накарябать статейку и помочь разобраться, что есть что.

Что такое мостовой выпрямитель? | Схема, формула, важные факторы

Выпрямление: процесс, посредством которого переменное напряжение преобразуется в постоянное, называется выпрямлением. Выпрямитель — это электронное устройство для выполнения выпрямления.

Типы выпрямителей

  1. Полуволновые выпрямители (HWR)
  2. Полноволновые выпрямители (FWR)
  3. Мостовой выпрямитель (BR)

Мостовые выпрямители

Мостовые выпрямители — это выпрямители, которые преобразуют переменный ток в постоянный, то есть переменный ток в постоянный. Этот тип выпрямителя позволяет обеим половинам входного переменного напряжения проходить через цепь. Для изготовления мостового выпрямителя необходимо четыре диода.

Работа и схема мостовых выпрямителей

Мостовой выпрямитель показан на схеме ниже.

Схема мостового выпрямителя, источник изображения — Пользователь: Wykis, Диодный мост alt 1, помечено как общественное достояние, подробнее на Wikimedia Commons

Двухполупериодное выпрямление также может быть реализовано с помощью выпрямителя, в состав которого входят четыре диода. Как показано на схеме, два диода противоположных плеч проводят ток одновременно, в то время как два других диода остаются в выключенном состоянии. На данный момент ток течет через диоды D1 и D3, но не течет через диоды D2 и D4. Это происходит из-за мгновенной полярности вторичных обмоток трансформатора. Таким образом, ток I проходит через сопротивление нагрузки RL в показанном направлении.

Теперь наступает следующая половина цикла. На этот раз полярность трансформатора меняется. Ток течет через диод D2 и диод D4, а через диоды D1 и D3 ток не течет. Направление тока остается таким же, как и в предыдущей половине цикла.

Формула и уравнения мостового выпрямителя

От стандартной схемы мостового выпрямителя,

Vi — входное напряжение; Vb — напряжение на диоде, rd — динамическое сопротивление, R — сопротивление нагрузки, Vo — выходное напряжение.

Среднее напряжение O / p:

Средний ток нагрузки (Iav) = 2 * Im/ π

Среднеквадратичное значение тока:

IRMS = [1 / π * ∫ 2π I 2 d (ωt)] 1/2

Я = яmSinωt; 0 ≤ ωt ≤ π

Или яRMS = [1 / π * ∫ 2π Im 2 Грех 2 ωt d (ωt)] 1/2

Или яRMS = [Яm 2 / π * ∫ 2π Грех 2 ωt d (ωt)] 1/2

Теперь грех 2 ωt = ½ (1 — Cos2ωt)

Или яRMS = [Яm 2 / π * ∫ 2π (1 — Cos2ωt) d (ωt)] 1/2

Среднеквадратичное напряжение = ВRMS V =m/ √2.

Значение среднеквадратичного значения в том, что оно эквивалентно значению постоянного тока.

При условии, что среднеквадратичное значение ≤ пикового значения

Пиковое обратное напряжение (PIV):

Пиковое обратное напряжение или PIV — это максимально допустимое напряжение, которое может быть приложено к диоду до его пробоя.

Пиковое обратное напряжение мостового выпрямителя рассчитывается как PIV> = Vm

Читайте так же:
Линия по производству туалетной бумаги цена

Приложение большего напряжения, чем пиковое обратное напряжение, повредит диод и повлияет на другие элементы схемы, если они связаны.

График мостового выпрямителя

На следующем графике показан входной выходной сигнал мостового выпрямителя. Это то же самое, что и мостовой выпрямитель.

Форм-фактор

форм-фактор мостового выпрямителя аналогичен двухполупериодному выпрямителю и определяется как отношение RMS (среднеквадратичное значение) значения напряжения нагрузки к среднему значению напряжения нагрузки.

Форм-фактор = (Vm/ √2) / (2 * Vm/ π) = π / 2√2 = 1.11

Итак, мы можем написать, VRMS = 1.11 * Вав.

Фактор пульсации

Коэффициент пульсации мостового выпрямителя — это процентная составляющая переменного тока, присутствующая на выходе мостового выпрямителя.

«Γ» представляет коэффициент пульсации.

Или яac = [1 / (2π) * ∫ 2π (I-Idc) 2 d (ωt)] 1/2

Итак, фактор пульсации,

или γ = [(IRMS 2 — Яdc 2 ) — 1] 1/2

Коэффициент использования трансформатора

Отношение мощности постоянного тока к номинальной мощности переменного тока известно как Коэффициент использования трансформатора или TUF.

TUF = Pdc/ Пac(оценено)

Vs / √2 — номинальное напряжение вторичной обмотки, а Im/ 2 — ток, протекающий по обмотке.

TUF = 8 / π 2 = 0.812

Чем больше TUF, тем лучше производительность.

КПД мостового выпрямителя

КПД мостового выпрямителя определяется как отношение мощности постоянного тока, подаваемой на нагрузку, к входной мощности переменного тока. Обозначается символом — η

η = Pзагрузка / Пin * 100

или, η = Idc 2 * R / IRMS 2 * R, поскольку P = VI, & V = IR

Итак, η = (4Im 2 / π 2 ) / (Im 2 / 2)

η = 8 / π 2 * 100% = 81.2%

Эффективность идеальной схемы мостового выпрямителя составляет = 81.2%

Укажите разницу между мостовым и полноволновым выпрямителем

Некоторые проблемы с мостовыми выпрямителями

1. Мостовой выпрямитель имеет нагрузку 1 кОм. Приложенное переменное напряжение составляет 220 В (среднеквадратичное значение). Если пренебречь внутренним сопротивлением диодов, каким будет пульсация напряжения на сопротивлении нагрузки?

Напряжение пульсаций = γ * Vdc / 100

Vdc = 0.636 * Vrms * √2 = 0.636 * 220 * √2 = 198 В.

Коэффициент пульсации идеального двухполупериодного выпрямителя составляет 0.482

Следовательно, пульсации напряжения = 0.482 * 198/100 = 0.945 В

2. Если пиковое напряжение схемы мостового выпрямителя составляет 10 В, а диод представляет собой кремниевый диод, каким будет пиковое обратное напряжение на диоде?

Пиковое обратное напряжение — важный параметр, определяемый как максимальное обратное напряжение смещения, приложенное к диоду перед входом в область пробоя. Если пиковое значение обратного напряжения меньше указанного значения, может произойти пробой. Для двухполупериодного выпрямителя пиковое обратное напряжение диода равно пиковому напряжению = Vm. Итак, пиковое обратное напряжение = 5 вольт.

3. На двухполупериодный выпрямитель подается вход 100Sin 100 πtV. Какая частота пульсаций на выходе?

Частота задается как — ω / 2 = 100/2 = 50 Гц.

Таким образом, выходная частота = 50 * 2 = 100 Гц.

4. Каково основное применение выпрямителя? Какое устройство выполняет обратную операцию?

Выпрямитель преобразует переменное напряжение в постоянное. Генератор преобразует постоянное напряжение в переменное.

5. Для мостового выпрямителя приложенное входное напряжение составляет 20Sin100 π t. Какое будет среднее выходное напряжение?

Теперь мы знаем, что V = VmSinωt

Итак, выходное напряжение = 2Вm / π = 2 * 20 / π = 12.73 вольт

Выходное напряжение = 12.73 вольт.

Последние выпуски от Electronics Engineering

Что такое мостовой выпрямитель? | Схема, формула, важные факторы

Я энтузиаст электроники и в настоящее время занимаюсь электроникой и коммуникациями.
Я очень заинтересован в изучении современных технологий, таких как искусственный интеллект и машинное обучение.
Мои статьи посвящены предоставлению точных и обновленных данных всем учащимся.
Мне доставляет огромное удовольствие помогать кому-то в получении знаний.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector