Полноволновой выпрямитель – полное руководство с описанием принципа работы, формулами, схемами и областями применения.

Электроэнергия изначально поступает в виде переменного тока (AC), направление которого меняется в обе стороны. Однако большинству электронных устройств требуется постоянный ток (DC), который течёт только в одном направлении. Процесс преобразования переменного тока в постоянный называется выпрямлением, а схема, используемая для этого процесса, называется выпрямителем.

Двухполупериодный выпрямитель — распространённая и очень важная схема выпрямления, часто используемая в источниках питания, зарядных устройствах и различных электронных устройствах. В отличие от однополупериодного выпрямителя, который использует только один полупериод переменного тока, двухполупериодный выпрямитель использует как положительный, так и отрицательный полупериоды. Поэтому он более эффективен, а выходной постоянный ток имеет меньшие и более стабильные пульсации.

В этом руководстве мы подробно рассмотрим двухполупериодный выпрямитель, включая его определение, схему двухполупериодного выпрямителя, принцип работы, форму выходного сигнала, соответствующие формулы, основные преимущества и отличия от однополупериодного выпрямителя.

Что такое двухполупериодный выпрямитель?

Двухполупериодный выпрямитель — это электронная схема выпрямителя, преобразующая как положительные, так и отрицательные полупериоды переменного тока (AC) в пульсирующий постоянный ток (DC). Его основным компонентом является выпрямительный диод, который пропускает ток только в одном направлении, тем самым обеспечивая преобразование переменного тока в постоянный.

По сравнению с однополупериодным выпрямителем, использующим только один полупериод переменного тока, двухполупериодный выпрямитель позволяет получить более высокое среднее напряжение постоянного тока и обеспечивает более стабильный выходной сигнал благодаря меньшему уровню пульсаций. Существует два основных способа его реализации: один из них — использование трансформатора со средним отводом в сочетании с двумя выпрямительными диодами; другой тип — мостовая схема с четырьмя диодами.

Процесс одновременного использования положительных и отрицательных циклов переменного тока и преобразования его в постоянный ток называется двухполупериодным выпрямлением.

Как выводится выражение для полноволнового выпрямления

Если вы хотите понять принцип работы полноволнового выпрямителя, можете начать с полуволнового выпрямителя и постепенно углублять свои знания.

В полуволновом выпрямителе используется только одна половина переменного тока (либо положительная, либо отрицательная полуволна), а другая половина блокируется. В результате на выходе получается пульсирующий постоянный ток, и половина входной энергии теряется.

Полноволновой выпрямитель устроен иначе. Он использует как положительную, так и отрицательную полуволны, а также "потерянную" половину, поэтому он более эффективен.

Принцип работы полноволнового выпрямителя можно понять пошагово следующим образом:

•  Для начала рассмотрим схему полуволнового выпрямителя, которая пропускает через нагрузку только положительную полуволну.

•  Представьте себе другую схему, которая точно такая же, но ее входной сигнал сдвинут на 180 градусов (инверсия фазы). Таким образом, исходный отрицательный полупериод фактически превращается в «положительный» и может проходить через нагрузку.

•  Если мы объединим выходные сигналы этих двух цепей, то и положительный, и отрицательный полупериоды внесут свой вклад в выходной сигнал.

Таким образом, выходной ток течет в одном направлении, образуя непрерывный пульсирующий постоянный ток. Это основной принцип работы полноволнового выпрямителя.

Однако в реальных цепях использование двух отдельных источников переменного тока и обеспечение их точной синхронизации нецелесообразно. Это слишком сложно и нереалистично.

Таким образом, на практике полноволновой выпрямитель обычно реализуется двумя более простыми способами:

•  Использование трансформатора с центральным отводом

•  Использование мостовой выпрямительной схемы

При использовании этих двух методов для достижения одинакового эффекта требуется всего один источник переменного тока. Таким образом, полноволновой выпрямитель широко используется в реальных электронных устройствах.

Конфигурации схем двухполупериодных выпрямителей

Существует два основных способа реализации схемы двухполупериодного выпрямителя:

Выпрямитель полного цикла с центральным отводом

Эта схема состоит из трансформатора с центральным отводом, двух выпрямительных диодов и нагрузочного резистора. Во время работы, в положительной полуволне переменного тока, диод D1 открыт, а D2 находится в обратном положении, и ток протекает однонаправленно через нагрузку. Во время отрицательной полуволны, диод D2 открыт, а D1 находится в обратном положении, но ток нагрузки по-прежнему течет в том же направлении. Таким образом, в каждой полуволне работает диод, в конечном итоге выдавая непрерывный пульсирующий постоянный ток (DC).

Его преимущества заключаются в простой конструкции и необходимости всего двух диодов. По сравнению с полуволновым выпрямителем, он имеет более высокое постоянное напряжение и более плавный выходной сигнал. Однако для его работы необходимо использовать специальный трансформатор с центральным отводом, что увеличивает как стоимость, так и габариты. Кроме того, каждый диод должен выдерживать пиковое обратное напряжение (PIV), вдвое превышающее входное напряжение. Эта схема является ранней формой схемы полноволнового выпрямителя.

Мостовой двухполупериодный выпрямитель

Мостовой выпрямитель, или полномостовой выпрямитель, состоит из четырех выпрямительных диодов, расположенных в мостовой конфигурации, и не требует трансформатора с центральным отводом. В положительной полуволне диоды D1 и D2 проводят ток, а диоды D3 и D4 смещены в обратном направлении, и ток течет однонаправленно через нагрузку. В отрицательной полуволне диоды D3 и D4 проводят ток, а диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и ток остается в том же направлении.

Эта структура не требует трансформатора с центральным отводом, имеет более высокий коэффициент использования трансформатора и меньше по размеру, чем конструкция с центральным отводом. Однако недостатком является то, что в каждом полупериоде одновременно проводят ток два диода, что приводит к падению напряжения примерно на 1.4 В (для кремниевых диодов). При высоких токах она склонна к выделению тепла и требует добавления радиатора. Мостовой полноволновой выпрямитель в настоящее время является наиболее широко используемой и распространенной схемой выпрямителя.

Форма выходного сигнала двухполупериодного выпрямителя

Выходной сигнал двухполупериодного выпрямителя представляет собой пульсирующий постоянный ток. Без фильтра выходной сигнал представлял бы собой последовательность положительных импульсов. Каждый полупериод переменного тока выпрямлялся бы один раз, поэтому выходная частота стала бы вдвое больше входной. Например, если входная частота 50 Гц, выходная частота будет равна 100 Гц.

Добавление фильтра, например, конденсатора, подключенного параллельно нагрузке, может сделать форму сигнала более плавной, уменьшить пульсации и получить выходной сигнал, близкий к стабильному постоянному напряжению. Именно поэтому выходной сигнал двухполупериодного выпрямления гораздо более плавный, чем выходной сигнал однополупериодного выпрямления, поэтому он очень подходит для использования в источниках питания.

Формулы двухполупериодного выпрямителя

Вот важные формулы для двухполупериодного выпрямителя:

• Выходное напряжение постоянного тока:

• Среднеквадратичное значение тока:

• Форм-фактор:

• Пик-фактор:

• Фактор пульсации:

(Значительно ниже, чем у однополупериодного выпрямителя, у которого коэффициент 1.21).

• Эффективность:

• Пиковое обратное напряжение (PIV):

Для выпрямителя со средней точкой: PIV = 2Vm

Для мостового выпрямителя: PIV = Vm

Эти формулы помогают проектировать и анализировать схему двухполупериодного выпрямителя для реальных применений.

Преимущества двухполупериодного выпрямителя

По сравнению с однополупериодным выпрямителем двухполупериодный выпрямитель имеет лучшие характеристики по многим параметрам и поэтому более широко используется в практических схемах:

• Более высокая эффективность: Полуволновой выпрямитель использует переменный ток (AC) только в течение одного полупериода, с эффективностью всего около 40%. Полноволновые выпрямители могут использовать одновременно положительный и отрицательный полупериоды, достигая эффективности около 81% и более высокого коэффициента использования электрической энергии.

• Более плавный выходной сигнал: Поскольку выходная частота полноволнового выпрямления вдвое выше входной частоты переменного тока, колебания напряжения происходят быстрее, пульсации, естественно, меньше, а результирующий постоянный ток (DC) более стабилен.

• Более высокое среднее выходное напряжение: выходное напряжение постоянного тока полноволнового выпрямителя примерно в 0.637 раза превышает пиковое напряжение переменного тока, в то время как у полуволнового выпрямителя оно составляет всего 0.318 В·м. Более высокое напряжение означает, что для нагрузки может быть обеспечена более мощная движущая сила.

• Более высокий коэффициент использования трансформатора (TUF): Полноволновые выпрямители позволяют более эффективно использовать мощность вторичной обмотки трансформатора, сократить потери ресурсов и максимизировать ценность объема и стоимости трансформатора.

• Требуется меньший фильтрующий конденсатор: Поскольку амплитуда пульсаций ниже, а выходное напряжение уже относительно стабильно по сравнению с полуволновым выпрямлением, для дальнейшего сглаживания формы сигнала требуется лишь меньший фильтрующий конденсатор. Это не только экономит место и материалы, но и способствует миниатюризации схем.

• Повышенная надежность: направление тока в нагрузке всегда остается неизменным, что снижает потенциальные потери устройства, вызванные частыми обратными переворотами тока, тем самым повышая стабильность и срок службы цепи.

• Широкое применение: двухполупериодный выпрямитель — это почти стандартная конфигурация в силовых цепях и широко используется в ситуациях, когда переменный ток преобразуется в постоянный, например, в импульсных источниках питания, зарядных устройствах, адаптерах для ноутбуков и мобильных телефонов, системах бесперебойного питания и различных потребительских электронных товарах.

Недостатки полноволнового выпрямителя

Хотя полноволновой выпрямитель обладает множеством преимуществ, при его использовании в схемотехнике необходимо учитывать и некоторые его ограничения.

1. Более сложная схема.

По сравнению с полуволновым выпрямителем, полноволновой выпрямитель требует больше компонентов. Структура с центральным отводом требует отдельного трансформатора, а мостовая структура — четырех диодов, что делает общую конструкцию более сложной.

2. Большее количество компонентов

Для полноволнового выпрямителя обычно требуется 2 или 4 диода, что увеличивает стоимость проектирования и потенциальные точки отказа.

3. Падение напряжения в мостовом выпрямителе

В мостовом полноволновом выпрямителе два диода проводят ток одновременно, вызывая падение напряжения примерно на 1.4 В и уменьшая выходное напряжение.

4. Требования к трансформатору (с центральным отводом) 

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом требует специального трансформатора, что увеличивает стоимость и габариты, а также ограничивает его применение.

5. Выработка тепла

Проводимость нескольких диодов приводит к потерям мощности в виде тепла. Для полноволнового выпрямителя при высоких токах требуется конструкция с эффективным отводом тепла.

6. Вопросы проектирования PIV (перпендикулярно-измерительной установки)

Диоды в полноволновом выпрямителе должны соответствовать требованиям PIV (положительного обратного напряжения); в противном случае они подвержены повреждению.

Однополупериодный и двухполупериодный выпрямитель

Однополупериодный выпрямитель — одна из простейших схем выпрямителей. Принцип его работы заключается в пропускании одного полупериода переменного тока и блокировании другого. Всего один p-n-переход диода вместе с нагрузочным резистором, а иногда и трансформатором для изоляции или стабилизации напряжения, может преобразовать синусоидальный переменный ток в пульсирующее постоянное напряжение.

Выходной ток такой схемы однонаправленный, но не плавный, а представляет собой последовательность импульсов. Поэтому для получения более стабильного постоянного тока обычно требуется фильтр. По сравнению с двухполупериодным выпрямителем, его КПД значительно ниже, поскольку половина формы сигнала переменного тока теряется. Но именно благодаря своей очень простой конструкции его часто можно встретить в учебниках, лабораторных экспериментах и ​​некоторых схемах быстрого прототипирования. Можно сказать, что однополупериодные выпрямители – это первый шаг к пониманию принципа выпрямления и дальнейшему изучению типов выпрямителей, особенно двухполупериодных.

Однополупериодный и двухполупериодный выпрямитель в таблице

В этой таблице показано, почему двухполупериодный выпрямитель является предпочтительным выбором в большинстве схем выпрямления.

Объяснение ключевых терминов

Понимание некоторых распространенных базовых терминов поможет нам полностью разобраться в принципе работы полноволнового выпрямителя.

1. цикл

Цикл — это одна полная форма сигнала переменного тока. В полноволновом выпрямителе каждый цикл состоит из положительной и отрицательной полуволн.

2. Положительный полупериод

Положительная полуволна — это часть переменного тока, расположенная выше горизонтальной оси. В полноволновом выпрямителе эта часть непосредственно влияет на выходной ток.

3. Отрицательный полупериод

Отрицательная полуволна — это часть переменного тока, расположенная ниже горизонтальной оси. В полноволновом выпрямителе эта часть преобразуется в положительный выходной сигнал с помощью диодов, что позволяет использовать всю форму сигнала.

4. Пульсирующий постоянный ток

Выходной сигнал полноволнового выпрямителя представляет собой не чистый постоянный ток, а пульсирующий постоянный ток. Это означает, что напряжение течет в одном направлении, но изменяется по величине. Для сглаживания этого выходного сигнала с полноволновым выпрямителем часто используется фильтр.

5. Исправление

Выпрямление — это процесс преобразования переменного тока в постоянный. Полноволновой выпрямитель выполняет полноволновое выпрямление, преобразуя обе половины сигнала переменного тока в пригодный для использования выходной постоянный ток.

6. пульсация

Пульсация — это небольшие колебания, присутствующие на выходе полноволнового выпрямителя. Хотя полноволновой выпрямитель производит меньшую пульсацию, чем полуволновой, фильтрация все же необходима для чувствительных приложений.

7. Удвоение частоты

Одной из ключевых особенностей полноволнового выпрямителя является то, что выходная частота вдвое превышает входную. Это делает полноволновой выпрямитель более эффективным и упрощает фильтрацию.

Заключение

Двухполупериодный выпрямитель — основополагающий и важный элемент электронных схем. Он может использовать как положительные, так и отрицательные полупериоды переменного тока, поэтому по сравнению с однополупериодным выпрямителем он более эффективен, а выходной постоянный ток более стабилен и имеет меньшие пульсации.

Студентам, инженерам и любителям электроники необходимо изучить и освоить схему, формулы и принцип работы двухполупериодного выпрямителя. Поскольку при проектировании источников питания, зарядных устройств или других систем постоянного тока двухполупериодное выпрямление может обеспечить стабильную и надёжную работу схемы.