Сегодняшний мой пост о выпрямителях. Что это такое и с чем их едят? Ну во-первых начнём с того что большинство электронных устройств потребляет для своей работы электрическую энергию постоянного тока. Источниками постоянного тока могут быть различные гальванические элементы (батарейки), аккумуляторы, термоэлектрогенераторы, электромашины постоянного тока и выпрямители. Наиболее распространённым источником постоянного тока является выпрямитель – устройство, преобразующее переменный ток в постоянный ток.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Как правило, выпрямители состоят из силовых элементов (чаще всего диодов), трансформатора (для преобразования переменного напряжения и электрической изоляции между входными и выходными цепями выпрямителя) и сглаживающего фильтра (уменьшает пульсации напряжения на нагрузке). В зависимости от числа фаз системы электроснабжения различают однофазные и трёхфазные выпрямители.

В качестве силовых элементов выпрямителей используются германиевые и кремневые диоды. Кремниевые диоды практически полностью вытеснили германиевые. Единственный недостаток кремниевых диодов по сравнению с германиевыми – высокое прямое падение напряжение порядка 0,6…0,8 В вместо 0,1…0,3 В.

Общие недостатки большинства мощных выпрямительных диодов – длительный процесс рассасывания неосновных носителей заряда и большое время восстановления обратного сопротивления. Это становится особенно заметным при выпрямлении напряжения прямоугольной формы с частотой переменного тока выше 1 кГц и проявляется в уменьшении среднего значения выпрямленного напряжения, увеличении пульсаций, снижении КПД выпрямителя.

В настоящее время всё более широкое распространение получают диоды Шотки (диоды на основе контакта между металлом и полупроводником). У этих диодов отсутствуют явления накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, что позволяет им работать на частотах в сотни килогерц. Кроме того, прямое падение напряжения у них примерно в два раза меньше, чем у обычных кремниевых диодов.

Последовательное и параллельное соединения диодов.

Если для выпрямительной схемы нельзя выбрать нужный тип диода в соответствии с заданным значением обратного напряжения или прямого тока, то используют два или более однотипных диодов с меньшими значениями параметров, включая эти диоды последовательно или параллельно.

Параллельное соединение диодов

Параллельное соединение диодов

При параллельном соединении диодов из-за возможного разброса параметров их токи будут неодинаковыми. Один из этих токов может превысить максимально допустимое значение, что приведёт к выходу из строя сначала одного, а затем и другого диода. Более равномерное распределения тока между параллельно соединёнными диодами достигается включением последовательно с каждым из них одинаковых по номиналу резисторов R_д. Сопротивление резисторов R_д должно быть в 5…10 раз больше, чем сопротивление диода в прямом направлении. В мощных выпрямительных устройствах для этой же цели используются индуктивные выравниватели токов.

Расчёт параллельного соединения диодов

Для начала расчёта необходимо определить требуемое количество параллельно соединённых диодов, исходя из того, что ток, проходящий через один диод не должен превышать значения максимально допустимого значения тока для данного типа диода, тогда количество параллельно соединённых диодов будет равно

, гдеI_m — максимальное значение тока проходящее через диоды,
k_T – коэффициент нагрузки по току (может принимать значения от 0,5 до 0,8),
I_np — средний прямой ток для данного типа диода.

При дробных значениях расчётного количества диодов округление ведётся в большую сторону.

Значение сопротивления добавочных резисторов определяется по формуле

, гдеn — количество выпрямительных диодов,
U_np.cp — постоянное прямое напряжение для данного типа диодов

Расчитаное сопротивление добавочных резисторов округляют до ближайшего стандартного сопротивления.

Пример расчёта параллельного соединения диодов

Рассчитать выпрямительную цепь, позволяющую получить выпрямленный ток I_выпр = 550 мА, если используются диоды Д226Б.

Так как средний прямой ток диода Д226Б I_{пр. ср} = 300 мА, то необходимо применить несколько параллельно соединённых диодов с добавочными резисторами. Рассчитаем количество параллельно соединённых диодов, примем k_T = 0,8

Возьмём n = 3.

Найдём значение сопротивлений добавочных резисторов

Выберем резистор из стандартного ряда сопротивлений Е24 (± 5%) R_доб = 6,2 Ом

Online калькулятор расчёта соединения выпрямительных диодов

Последовательное соединение диодов

Последовательное соединение диодов

Для обеспечения возможности работы выбранного типа диода в схеме выпрямителя с обратным напряжением, превышающим его максимально допустимое значение, следует соединять однотипные диоды последовательно. Если параметры не совпадают, то один из диодов оказывается под значительно большим напряжением, чем другой. Это может привести к пробою одного, а затем и другого диода. Выравнивание обратного напряжения на последовательно соединенных диодах достигается шунтированием каждого из диодов резистором R_ш. Ток, протекающий через эти резисторы, должен быть в 5…10 раз больше максимально возможного обратного тока диодов. В мощных высоковольтных выпрямительных устройствах для этой же цели диоды шунтируют конденсаторами С_ш или RC-цепью.

Расчёт последовательного соединения диодов

Для начала расчёта необходимо определить количество последовательно соединенных диодов, исходя из того что падение напряжения на каждом отдельно взятом диоде не должно превышать амплитудного значения напряжения, тогда количество последовательно включённых диодов будет равно

, где

U_m — амплитудное значение напряжения проходящее через диод,
k_H – коэффициент нагрузки по напряжению (может принимать значения от 0,5 до 0,8),
U_{obp max} — максимально допустимое обратное напряжение диода.

При дробных значениях расчётного количества диодов округление ведётся в большую сторону.

Значение сопротивлений шунтирующих резисторов определяется по формуле

, где

I_{обp max} — максимально допустимый обратный ток диода при максимальной температуре.

Пример расчёта последовательного соединения диодов

Рассчитать выпрямительную цепь для напряжения с амплитудным значением 700В, используя диоды Д226Б.

Так как максимально допустимое обратное напряжение диода U_обр.max = 300В, то для выпрямления необходимо применить цепочку из последовательно соединённых диодов с шунтирующими резисторами. Рассчитаем количество последовательных диодов, примем k_H = 0,7

Возьмём n = 4

Найдём значение сопротивлений шунтирующих резисторов

Выберем резистор из стандартного ряда сопротивлений Е24 (± 5%) R_ш = 1 MОм

Включение дополнительных и шунтирующих резисторов неизбежно связано с увеличением потерь мощности и уменьшением КПД выпрямительной схемы.

Online калькулятор расчёта соединения выпрямительных диодов

Основные схемы выпрямления и их сравнительная характеристика.

Радиолюбительская и бытовая радиоэлектронная аппаратура питается только от однофазной сети переменного тока. Поэтому ниже рассматриваются однофазные схемы выпрямления.

Основные схемы выпрямления однофазного напряжения: однополупериодная, двухполупериодная со средней точкой, двухполупериодная мостовая, схема умножения напряжения. В практике применяются и сложные схемы выпрямления, образованные из двух или более простых схем путём их комбинирования. Комбинированные схемы выпрямления целесообразно применять только при постоянной нагрузке по всем выходным цепям; в противном случае будет наблюдаться взаимное влияние выходных каналов источника питания.

Однополупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления может работать как без входного трансформатора, так и с трансформатором. Ток через диод VD протекает только тогда, когда полярность соответствующего полупериода напряжения сети будет способствовать открыванию диода. Ток диода в любой момент времени одновременно является током вторичной обмотки трансформатора и током нагрузки. При активной нагрузке он имеет форму однополярных импульсов с длительностью, равной половине периода сети. В течении другого полупериода питающего напряжения U_c диод VD находится в закрытом состоянии. При проектировании трансформатора для однополупериодных схем выпрямления следует учитывать подмагничивание магнитопровода, поэтому габаритную расчётную мощность трансформатора следует увеличить до значения Р_г = (3,36…3,5) Р_о.

Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Достоинство схемы – простота, минимальное количество вентилей.

Недостатки однополупериодной схемы выпрямления – большое значение пульсаций выпрямленного напряжения и низкая частота пульсаций, равная частоте сети; плохое использование трансформатора; высокое обратное напряжение на диоде (3,14 раз больше выпрямленного напряжения); большой импульс тока через диод.

Однополупериодная схема выпрямления применяется при малой выходной мощности (1…3 Вт) и низких требованиях к пульсациям выпрямленного напряжения. Чаще всего подобная схема выпрямления используется в сочетании с однотактным преобразователем напряжения и емкостным фильтром для преобразования низковольтного напряжения питания постоянного тока в высоковольтное.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой представляет собой сочетание двух параллельно включённых однополупериодных схем, работающих поочерёдно на одно общее сопротивление нагрузки. Схема может работать от сети переменного тока только при наличии входного трансформатора, имеющего во вторичной обмотке отвод от средней точки. Подводимое к первичной обмотке напряжение U_c трансформируется во вторичные таким образом, что одно из них (например, U’_в) является открывающим для диода VD1, а другое (U’’_в) – закрывающим для диода VD2. Через диод VD1 и сопротивление нагрузки R_н в течении половины периода напряжения сети протекает импульс тока, аналогичный импульсу однополупериодной схемы выпрямления. В следующий полупериод полярность напряжения на полуобмотках меняется на обратную, диод VD1 закрывается, а VD2 открывается. В этом случае импульс тока будет протекать через диод VD2 и сопротивление нагрузки R_н, то есть ток через нагрузку протекает в течении каждого полупериода в одном направлении.

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой

Поскольку токи во вторичных полуобмотках трансформатора протекают поочерёдно в противоположных направлениях, подмагничивание магнитопровода осутствует.

Частота пульсаций выпрямленного напряжения равна удвоенной частоте сети.

Двухполупериодная схема выпрямления со средней точкой имеет ряд преимуществ перед однополупериодной: при одинаковой выходной мощности меньше габариты и масса трансформатора (из-за отсутствия подмагничивания); вдвое меньше амплитуда тока через выпрямительные диоды; вдвое выше частота пульсаций выпрямленного напряжения. По сравнению с мостовой в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой меньше число диодов в плече и соответственно больше КПД. Оба диода могут быть установлены на общем радиаторе без электроизоляции.

Недостатки схемы – наличие на входе трансформатора; худшее по сравнению с другими двухполупериодными схемами выпрямления использование обмоток трансформатора (ток через каждую полуобмотку протекает только в течении половины периода); высокое обратное напряжение на диодах; возможность появления на выходе схемы пульсаций с частотой сети из-за несимметрии плеч.

Схема универсальна в применении, однако из-за большого обратного напряжения на диодах для выпрямления высоковольтного напряжения применяется редко.

Мостовая схема выпрямителя

Однофазная мостовая двухполупериодная схема выпрямления представляет собой выпрямитель, выполненный на четырёх диодах, включённых по мостовой схеме. В одну диагональ моста включена вторичная обмотка трансформатора, а в другую диагональ – сопротивление нагрузки. Напряжение электросети может быть подключено к мостовому выпрямителю непосредственно.

мостовая двухполупериодная схема выпрямления

В течении одного из полупериодов напряжение сети ток нагрузки протекает через два последовательно соединённых диода, например VD1 и VD4, в течении следующего полупериода через два других диода (VD2 и VD3). При наличии трансформатора ток через вторичную обмотку протекает в течении каждого полупериода, но в противоположных направлениях, поэтому подмагничивание магнитопровода исключается.

Преимущества мостовой схемы выпрямления перед схемой со средней точкой – меньшая габаритная мощность трансформатора; вдвое меньшее обратное напряжение на закрытом диоде; схема может работать без входного трансформатора; при наличии отвода от части вторичной обмотки возможно получение двух выходных напряжений.

Недостатки схемы – большое число диодов, что снижает её КПД; невозможность установки всех четырёх диодов на общем радиаторе без электроизоляции.

Мостовая схема выпрямления универсальна в применении. Однако для выпрямления сравнительно низких напряжений она применяется редко, так как при выходных напряжениях, соизмеримых с падением напряжения на диодах, КПД выпрямителя резко снижается.

Сравнительная характеристика параметров выпрямительных схем

Сравнительная характеристика параметров выпрямительных схем представлена в таблице, которая содержит некоторые сведения о параметрах токов и напряжений в выпрямительных схемах. В таблице в качестве базового напряжения считается постоянное напряжение U₀ на выходе выпрямителя

 

Определяемая величина и ее обозначение	Однополупериодная схема выпрямления	Двухполупериодная схема со средней точкой	Мостовая схема выпрямления
Постоянная составляющая выпрямленного напряжения, U0	1	1	1
Действующее значение напряжения на фазе вторичной обмотки трансформатора, UB	2,22 U0	1,11 U0	1,11 U0
Наибольшее (амплитудное) значение обратного напряжения, приложенное к одному диоду, Uобр	3,14 U0	3,14 U0	1,57 U0
Амплитуда переменной составляющей выпрямленного напряжения, Uп max	1,57 U0	0,67 U0	0,67 U0
Ток нагрузки, I0	1	1	1
Действующее значение тока через один диод, IВ	1,57 I0	0,785 I0	0,785 I0
Наибольшее (амплитудное) значение тока через один диод, Imax	3,14 I0	1,57 I0	1,57 I0

Пример расчёта параметров выпрямителя

Имеется силовой трансформатор, на вторичной обмотке которого действующее напряжений U_B = 10 В. Требуется определить напряжение на выходе мостового выпрямителя и значение обратного напряжения, которое приложено к одному диоду схемы выпрямления.

Определим напряжение на выходе выпрямительного моста

Амплитудное значение обратного напряжения приложенное к одному диоду

Параметры токов и напряжений, которые обозначены в таблице соответствуют выпрямительным схемам без фильтров на выходе. Значение токов и напряжений с применением различных фильтров на выходе выпрямителя будут обозначены в статье про сглаживающие фильтры.