Выпрямитель, который преобразует полный цикл переменного тока (AC) в постоянный ток (DC) или пульсирующий постоянный ток, называется двухполупериодным выпрямителем. В этом типе выпрямителя можно выпрямлять как положительный, так и отрицательный полупериод входного сигнала переменного тока. При конструировании двухполупериодный выпрямитель использует несколько диодов или групп диодов для процесса выпрямления.

Работа двухполупериодного выпрямителя также основана на том факте, что диод пропускает ток в одном направлении и блокирует ток в другом направлении. В двухполупериодном выпрямителе ток протекает через нагрузку в одном направлении в течение полного цикла входного переменного тока.

Двухполупериодный выпрямитель в основном предназначен для преодоления недостатков однополупериодного выпрямителя, таких как потери мощности, низкая эффективность и более высокий коэффициент пульсации. Он производит выходное напряжение постоянного тока, которое выше, чем у однополупериодного выпрямителя. Выход двухполупериодного выпрямителя имеет меньшее количество пульсаций, чем у однополупериодного выпрямителя. Следовательно, двухполупериодный выпрямитель производит более плавную форму выходного постоянного тока и обеспечивает более высокую эффективность.

Двухполупериодный выпрямитель далее подразделяется на два типа:

1. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой.
2. Двухполупериодный мостовой выпрямитель.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Тип двухполупериодного выпрямителя, который использует два диода, подключенных к вторичной обмотке трансформатора со средней точкой, называется двухполупериодным выпрямителем со средней точкой/центральным отводом. Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой в ​​основном состоит из следующих компонентов:

• Трансформатор с центральным выводом.
• Два диода.
• Резистивная нагрузка.

Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой показана на рисунке ниже.

В этой схеме входной источник переменного тока подключен к первичной обмотке трансформатора с центральным отводом. Во вторичной обмотке трансформатора центральный отвод (дополнительный провод) подключен точно в центральной точке, поэтому центральный отвод делит вход на две части. Верхняя часть вторичной обмотки подключена к первому диоду, а нижняя часть вторичной обмотки подключена ко второму диоду. Оба диода подключены к общей резистивной нагрузке с помощью трансформатора с центральным отводом, как показано на рисунке выше.

Принцип работы двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки

Во время положительного полупериода источника переменного тока клемма A становится положительной, а клемма B становится отрицательной. Центральный отвод заземлен, т. е. имеет нулевой потенциал. Здесь положительная клемма подключена к p-стороне диода, а отрицательная клемма B также подключена к p-стороне диода. Таким образом, диод 1 находится в состоянии прямого смещения и позволяет току течь через него. В то время как диод 2 находится в состоянии обратного смещения и не позволяет электрическому току проходить через него. Следовательно, диод подает постоянный ток на нагрузку, и он будет возвращаться во вторичную обмотку трансформатора. Ток течет по пути, указанному стрелкой, как показано на рисунке.

Во время отрицательного полупериода питания переменного тока клемма A становится отрицательной, а клемма B становится положительной. Центральный отвод заземлен, т. е. имеет нулевой потенциал. Здесь отрицательная клемма A подключена к p-стороне диода 1, а положительная клемма B подключена к p-стороне диода 2. Таким образом, диод 1 находится в состоянии обратного смещения и не пропускает электрический ток, тогда как диод  2 находится в состоянии прямого смещения и пропускает ток. Таким образом, диод подает постоянный ток на нагрузку, и он будет возвращаться во вторичную обмотку трансформатора. Ток течет только в нижней части цепи. Ток течет по пути пунктирной стрелки, как показано на рисунке.

Из обоих полупериодов питания переменного тока видно, что диод 1 пропускает электрический ток во время положительного полупериода, а диод 2 пропускает электрический ток во время отрицательного полупериода. Таким образом, входной сигнал переменного тока пропускается как для положительного, так и для отрицательного полупериода. Ток течет в одном направлении через нагрузку. Выходное постоянное напряжение почти равно входному напряжению питания переменного тока.

Форма входного-выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки показана на рисунке ниже:

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

Тип двухполупериодного выпрямителя, который использует четыре диода в мостовой конфигурации, называется двухполупериодным мостовым выпрямителем. Четыре диода соединены в мостовую схему, в которой два диода проводят ток в течение одного полупериода, а два других диода проводят ток в течение другого полупериода.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель не требует отвода от средней точки и трансформатора с отводом от средней точки. Поэтому он менее затратен и меньше по размеру, чем двухполупериодный выпрямитель с отводом от средней точки.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель в основном состоит из следующих компонентов.

• Четыре диода.
• Резистивная нагрузка.

Принципиальная схема двухполупериодного мостового выпрямителя показана на рисунке ниже.

В этой схеме четыре диода расположены так, чтобы образовать мост. Источник переменного тока или выход трансформатора на вторичной обмотке подключен к двум диаметрально противоположным точкам моста в точках A и C. Резистивная нагрузка подключена к мосту через точки B и D. Соединение источника переменного тока, диодов в качестве моста и сопротивления нагрузки показано на рисунке выше.

Принцип работы двухполупериодного мостового выпрямителя

Во время положительного полупериода питания переменного тока верхний вывод A моста положителен по отношению к нижнему выводу C. Таким образом, диоды находятся в состоянии прямого смещения, и ток течет к сопротивлению нагрузки через плечо AB и возвращается обратно, протекая через плечо DC. В то время как диоды находятся в состоянии обратного смещения, и ток не может течь в плечах AD и BC.

Схема цепи во время положительного полупериода показана на рисунке ниже, а путь протекания тока обозначен стрелками. В этом полупериоде ток протекает по пути AB-RL-DC и замыкает цепь, как показано на рисунке.

Во время отрицательного полупериода питания переменного тока верхний вывод A моста отрицателен по отношению к нижнему выводу C. Таким образом, диоды находятся в состоянии обратного смещения, и ток не может течь в плечах AB и DC. В то время как диоды находятся в состоянии прямого смещения, и ток течет к сопротивлению нагрузки через плечо CB и возвращается обратно, протекая через плечо DA.

Схема цепи во время отрицательного полупериода показана на рисунке ниже, а путь протекания тока обозначен стрелками. В этом полупериоде ток протекает по пути CB-RL – DA и замыкает цепь, как показано на рисунке.

Форма входного и выходного сигналов двухполупериодного мостового выпрямителя показана на рисунке ниже:

Коэффициент пульсации двухполупериодного выпрямителя

Постоянный ток (DC), вырабатываемый двухполупериодным выпрямителем, не является чистым постоянным током, а является пульсирующим постоянным током. При преобразовании сигнала переменного тока в сигнал постоянного тока остаются некоторые компоненты переменного тока, хотя мы и стараемся максимально удалить компоненты переменного тока. Этот нежелательный компонент переменного тока, содержащийся на выходной стороне выпрямителя, называется пульсацией. Пульсации в выходном сигнале постоянного тока можно минимизировать, используя фильтры, такие как конденсаторы и индукторы.

Коэффициент пульсации показывает количество пульсаций, присутствующих в выходном постоянном сигнале. Он используется для измерения того, насколько хорошо выпрямитель может преобразовывать переменное напряжение в постоянное. Математически коэффициент пульсации представляет собой отношение среднеквадратичного значения переменного компонента выходного напряжения к постоянному компоненту выходного напряжения. Или это отношение пульсирующего напряжения к постоянному напряжению.

Для построения хорошего выпрямителя коэффициент пульсации должен быть как можно меньше. Поэтому конденсаторы и катушки индуктивности используются в качестве фильтров для уменьшения пульсаций в цепи.

Коэффициент пульсации обозначается γ и определяется по формуле: 

Для двухполупериодного выпрямителя с отводом от средней точки коэффициент пульсации составляет 0,48.

Среднеквадратичное значение

Среднеквадратичное значение тока, протекающего через сопротивление нагрузки RL для двухполупериодного выпрямителя, определяется как:

Среднеквадратичное значение выходного напряжения нагрузки определяется по формуле:

Выходное постоянное напряжение (В пост. тока)

Выходное постоянное напряжение (Vdc) — это напряжение, появляющееся на нагрузке RL. Оно получается путем умножения выходного постоянного тока на сопротивление нагрузки RL.

Математически это можно записать так:

Выходное постоянное напряжение (В пост. тока) определяется по формуле:

Эффективность

Эффективность выпрямителя (коэффициент полезного действия, КПД) — это отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности переменного тока. Она обозначается как ղ и математически записывается как:

Для двухполупериодного выпрямителя КПД равен 81,2%, что в два раза больше КПД однополупериодного выпрямителя.

Пиковое обратное напряжение (PIV)

Пиковое обратное напряжение (Peak inverse voltage, PIV) — это максимальное обратное напряжение смещения, которое может выдержать диод. Диод выйдет из строя, если приложенное напряжение будет больше пикового обратного напряжения (PIV).

Пиковое обратное напряжение двухполупериодного выпрямителя вдвое больше, чем у однополупериодного выпрямителя. PIV между диодами D1 и D2 составляет 2Vmax.

Фактор формы (FF)

Фактор формы (form factor) определяется как отношение среднеквадратичного (RMS) значения к значению постоянного тока или среднему значению. Математически это выражается следующим образом:

Для двухполупериодного выпрямителя фактор формы составляет:

Приложения

Двухполупериодный выпрямитель в основном используется в следующих целях:

• Они используются для определения амплитуды модулирующего радиосигнала.
• Двухполупериодные мостовые выпрямители применяются в цепях электропитания для различных применений.
• Они используются для обеспечения питания устройств, которым требуется постоянное напряжение, например, светодиодов и двигателей.
• Они используются в мобильных телефонах, ноутбуках и зарядных устройствах.
• Они используются в ИБП для преобразования переменного тока в постоянный.
• Их используют при сварке.

Достоинства и недостатки двухполупериодного выпрямителя

Достоинства

Основные преимущества двухполупериодного выпрямителя следующие:

• Они имеют более высокий КПД, чем однополупериодные выпрямители, т. е. они более эффективно преобразуют переменный ток в постоянный.
• Потери выходной мощности отсутствуют, поскольку они используют оба полупериода, и сигнал напряжения не теряется в процессе выпрямления.
• Они имеют меньший коэффициент пульсации, т.е. выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя имеет меньшие пульсации, чем однополупериодного выпрямителя.

Недостатки

Недостатки двухполупериодного выпрямителя следующие:

• Им требуется больше элементов схемы, чем однополупериодным выпрямителям, что делает их более сложными и поэтому они занимают больше места.
• Они дороже однополупериодных выпрямителей.

16 просмотров