Выпрямитель — это устройство, преобразующее переменный ток (alternating current, AC) в постоянный ток (direct current, DC). Постоянный ток течет только в одном направлении, тогда как переменный ток может течь и в обратном направлении. Выпрямитель работает по принципу смещения PN-перехода диода. Диод оказывает низкое сопротивление току в одном направлении, т. е. в прямом смещенном состоянии, и высокое сопротивление в другом направлении, т. е. в обратном смещенном состоянии. Процесс преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением.
В зависимости от расположения диода и выпрямления переменного сигнала в постоянный, будь то только один полупериод переменного тока или оба полупериода переменного тока, выпрямители делятся на два типа:
- Однополупериодный (полуволновой) выпрямитель (Half Wave Rectifier).
- Двухполупериодный выпрямитель (Full Wave Rectifier).
В данной статье мы рассмотрим основы построения, схему, принцип работы и применение однополупериодного выпрямителя.
Принцип работы однополупериодного выпрямителя
Выпрямитель, который преобразует сигнал переменного тока в сигнал постоянного тока, пропуская либо положительный, либо отрицательный полупериод формы волны переменного тока и блокируя другой полупериод, называется однополупериодным выпрямителем. При построении схема однополупериодного выпрямителя использует только один диод для процесса выпрямления. Однополупериодный выпрямитель — это простой тип выпрямителя.
Работа однополупериодного выпрямителя основана на том факте, что диод пропускает ток только в одном направлении. Таким образом, он преобразует переменный сигнал в постоянный. Когда переменное напряжение подается на диод, диод проводит только в условиях прямого смещения, т. е. когда анодная сторона диода положительна по отношению к катодной стороне.
Так как однополупериодный выпрямитель пропускает только половину входного сигнала, его эффективность ниже, чем у двухполупериодного выпрямителя. Максимальная эффективность однополупериодного выпрямителя составляет около 40,5%, а эффективность двухполупериодного выпрямителя в два раза больше, чем у однополупериодного выпрямителя. Однополупериодный выпрямитель производит больше пульсаций, чем двухполупериодный выпрямитель. Для устранения пульсаций требуется гораздо больше фильтрации. Поэтому на практике он используется редко.
Компоненты однополупериодного выпрямителя
Однополупериодный выпрямитель состоит в основном из трех компонентов. Это:
- Диод
- Трансформатор
- Резистивная нагрузка
Схема однополупериодного выпрямителя
Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя показана на рисунке ниже.
В этой схеме вход переменного тока высокого напряжения подается на первичную обмотку трансформатора. Здесь трансформатор используется как понижающий, поэтому на его вторичной обмотке формируется низкое выходное напряжение. Выход трансформатора подается на диод. Сопротивление нагрузки подключено последовательно с диодом, как показано на рисунке выше.
В схеме выпрямителя мы сосредоточимся на вторичной стороне цепи. Если мы заменим вторичную обмотку трансформатора источником напряжения, то схема однополупериодного выпрямителя упрощается, как показано на схеме ниже.
Операции
Во время положительного полупериода переменного напряжения диод переходит в состояние прямого смещения, поскольку анод положителен по отношению к катоду, и проводит ток к резистивной нагрузке. Благодаря этому току на нагрузке возникает напряжение, которое совпадает с приложенным входным напряжением переменного тока положительного полупериода.
Цепь замыкается во время положительного полупериода. Схема цепи во время положительного полупериода показана на следующем рисунке.
Во время отрицательного полупериода переменного тока диод переходит в состояние обратного смещения, поскольку анод отрицателен по отношению к катоду, и ток через диод не течет. Напряжение на резистивной нагрузке в отрицательном полупериоде не возникает.
Цепь размыкается во время отрицательного полупериода. Схема цепи во время отрицательного полупериода показана на следующем рисунке.
В связи с этим видно, что диод проводит ток во время положительных полупериодов и не проводит ток во время отрицательных полупериодов. Таким образом, однополупериодный выпрямитель отсекает отрицательные полупериоды. Полученная форма сигнала называется полуволновым сигналом.
Форма входного и выходного сигнала однополупериодного выпрямителя показана на рисунке ниже:
Здесь форма волны вход-выход показывает, что однополупериодный выпрямитель пропускает через диод только положительные полупериоды и блокирует отрицательные полупериоды. Форма волны напряжения однополупериодного выпрямителя до и после выпрямления показана на рисунке ниже.
Фактор пульсации
Постоянный ток (dc), вырабатываемый однополупериодным выпрямителем, не является чистым постоянным током, а пульсирующим постоянным током. При преобразовании переменного сигнала в постоянный остаются некоторые компоненты переменного тока. Этот нежелательный компонент переменного тока, содержащийся на выходной стороне выпрямителя, называется пульсацией. Пульсации в выходном постоянном сигнале 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 однополупериодный выпрямитель может преобразовывать переменное напряжение в постоянное. Математически коэффициент пульсации — это отношение среднеквадратичного значения переменной составляющей выходного напряжения к постоянной составляющей 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:
Переставляя, получаем:
Для однополупериодных выпрямителей коэффициент пульсации составляет 1,21.
Среднеквадратичное значение
Для определения среднеквадратичного значения однополупериодного выпрямителя необходимо рассчитать ток через нагрузку.
Для мгновенного тока нагрузки iL = Im*sinωt средний ток нагрузки определяется по формуле:
Здесь Im равен максимальному мгновенному току нагрузки (Imax). Таким образом, выходной постоянный ток через нагрузку (Idc) определяется по формуле:
Где Imax — максимальная амплитуда постоянного тока.
Для однополупериодного выпрямителя среднеквадратичное значение Imax равно среднему току Idc, кратному π/2.
Таким образом, получается действующее значение тока нагрузки Irms для однополупериодного выпрямителя.
Где Im= Imax — пиковый мгновенный ток через нагрузку.
Тогда среднеквадратичное значение выходного напряжения нагрузки определяется по формуле:
Выходное постоянное напряжение (В пост. тока)
Выходное постоянное напряжение (Vdc) — это напряжение, которое появилось на нагрузке RL. Оно получается путем умножения выходного постоянного тока и сопротивления нагрузки RL.
Математически это можно записать так:
Выходное постоянное напряжение (В пост. тока) определяется по формуле:
Где, (Vin)max = максимальная амплитуда вторичного напряжения
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 однополупериодного выпрямителя КПД равен 40,6%.
Пиковое обратное напряжение (ПИВ)
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).
Во время положительного полупериода диод смещен в прямом направлении и пропускает электрический ток. Этот ток падает на резистивной нагрузке RL. Тогда как во время отрицательного полупериода диод смещен в обратном направлении и не пропускает электрический ток. Так что входной переменный ток падает на диоде. Максимальное падающее напряжение на диоде равно максимальному входному напряжению.
Следовательно, PIV диода = (Vin)max
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 однополупериодного выпрямителя форм-фактор равен 1,57.
Приложения
Полуволновой выпрямитель в основном используется в следующих целях:
- Они используются для выпрямления сигнала.
- Они используются для демодуляции сигнала.
- Они используются для приложений с пиковыми сигналами.
Преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя
Преимущества
Основные преимущества однополупериодного выпрямителя следующие:
- Простота: схемотехническая схема проста и совершенно понятна.
- Дешевизна: поскольку требуется и используется минимальное количество компонентов, это дешевле.
- Простота использования: благодаря простой конструкции устройство легко использовать.
Недостатки
Недостатки однополупериодного выпрямителя следующие:
- Потеря мощности: поскольку они пропускают только половину периода сигнала переменного тока, а другая половина периода тратится впустую, это приводит к потере мощности.
- Низкое выходное напряжение: они вырабатывают низкое выходное напряжение.
- Более высокий коэффициент пульсации: выходное постоянное напряжение, получаемое с помощью однополупериодного выпрямителя, не является чистым постоянным током и по-прежнему содержит компоненты переменного тока, называемые пульсациями.
- Коэффициент использования трансформатора низкий.
Похожие статьи
(Проголосуй первым!)
Загрузка...