Схемы выпрямителей
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.
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).
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.
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).
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).
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.
Существует еще одна популярная схема двухполупериодного выпрямителя, она построена на базе схемы четырехдиодного моста. По очевыдным причинам эта схема называется двухполупериодным мостовым выпрямителем.
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.
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).
Одним из преимуществ такого представления схемы мостового выпрямителя является то, что она легко расширяется до многофазной версии (рисунок ниже).
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).
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.
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 1Ph1W1P (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 1Ph1W2P: 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 1Ph2W2P: 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 3Ph2W6P.
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:
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.