Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

В наших однотактных усилителях мощности установлены двухполупериодные выпрямители напряжения со средней точкой на быстрых карбид кремниевых диодах шоттки, которые почти не имеют проникающих высокочастотных помех связанных с работой диодов. В результате получаем, чистое постоянное напряжение которое можно поддерживать маленькими ёмкостями плёночных конденсаторов.

В двухполупериодных выпрямителях напряжения со средней точкой применяются диоды шоттки на основе карбида кремния фирм: Cree, Infineon — департамент Siemens.

• Силовые трансформаторы для усилителя мощности
• Защита силового трансформатора | кратко об основном
• Стабилизаторы напряжения и стабилитроны в High End усилителях

Лучшее сочетание вакуумных и полупроводниковых характеристик — однотактный гибридный усилитель звука.

Мы не создаём иллюзий,
Мы делаем звук живым!

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Очевидно, что параметры выпрямителя можно улучшить, если обеспечить протекание тока нагрузки в оба полупериода действия входного напряжения. Этого можно добиться, используя две схемы однополупериодного выпрямления, работающие синхронно и противофазно на единую нагрузку. Такое включение, однако, потребует наличия двух источников первичного напряжения, имеющих общую точку: Uвх1=Uвхmахsin(t), Uвх2=Uвхmах sin(t+). Описанная схема называется однофазной двухполупе-

риодной схемой выпрямления со средней точкой, диаграммы ее работы, представлены на Рис. 3.

На интервале времени [0;T/2] под действием напряжения Uвх1 диод VD1 смещен в прямом направлении (диод VD2 при этом смещен в обратном направлении) и поэтому ток в нагрузочном резисторе определяется только напряжением Uвх1. На интервале [T/2;T] диод VD1 смещен в обратном направлении, а ток нагрузки протекает через прямосмещенный диод VD2 и определяется напряжением Uвх2. Таким образом, средние значения тока и напряжения на нагрузочном резисторе в случае двухполупериодного выпрямления будут в два раза превышать аналогичные показатели для однополупеоиодной схемы:

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

где Uвх mах и Iвх mах — амплитудные значения входного напряжения и тока выпрямителя, Uвх д и Iвх д — их действующие значения.

Отрицательным свойством двухполупериодной схемы выпрямления со средней точкой является то, что во время прохождения тока через один из диодов обратное напряжение на другом (закрытом) диоде в пике достигает удвоенного максимального входного напряжения Uобр max = 2 Uвх mах. Этого нельзя забывать при выборе диодов для выпрямителя.

Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в данной схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций, рассчитанный по методике, аналогичной описанной для схемы однофазного однополупериодного выпрямителя (разложение в ряд Фурье и выделение первой составляющей пульсаций) будет равен: Kп = 0,67.

Однофазный мостовой двухполупериодный выпрямитель

Существенным недостатком схемы двухполупериодного выпрямления со средней точкой является потребность в двух источниках входного напряжения. Проблема решена в схеме однофазного мостового выпрямителя, рис. 4, которая является, вероятно, самой распространенной из всех схем выпрямления, предназначенных для работы с однофазными источниками переменных напряжений.

Также как и в двухполупериодной схеме выпрямления со средней точкой, в мостовой схеме напряжение прикладывается к нагрузке в течение всего периода изменения напряжения Uвх. При этом его значение при Uвх = Uвх 1 + Uвх 2 в два раза превышает выходное напряжение схемы Рис. 3. Поэтому при одном и том же напряжении нагрузки в мостовой схеме к обратносмещенным диодам прикладывается напряжение в два раза меньшее, чем в схеме Рис. 3.

Средние значения тока и напряжения на нагрузке для однофазного мостового двухполупериодного выпрямителя будут такими же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой:

Основная частота пульсаций выпрямленного напряжения в двухполупериодной мостовой схеме будет равна удвоенной частоте входного напряжения. Коэффициент пульсаций такой же, как и в двухполупериодной схеме со средней точкой: Kп = 0,67.

Особенностью мостовой схемы является то, что в ней последовательно с нагрузкой все время включено два диода, в то время как в описанных выше однофазной однополупериодной и однофазной двухполупериодной схемах такой диод один. Поэтому при низких входных напряжениях (4. 5 В) использование мостовой схемы может оказаться неэффективным (падение напряжения на диодах по величине будет сравнимо с выходным напряжением выпрямителя) — для повышения КПД обычно применяют двухполупериодную схему со средней точкой (возможен также переход к использованию диодов Шоттки с малым падением напряжения при прямом смещении). С повышением напряжения разница в КПД схем уменьшается и определяющим фактором становится величина обратного напряжения, прикладываемого к запертым диодам в процессе работы выпрямителя. Поэтому при больших уровнях выходного напряжения обычно используют выпрямитель, выполненный по мостовой схеме.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — VF). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Двухполупериодная двухфазная схема выпрямителя со средней точкой

Схема выпрямителя со средней точкой, представляющего собой два параллельно соединенных однофазных выпрямителя, получающих питание от двух половин вторичной обмотки ш2 и ш*, изображена на рис. 5.4, а. С помощью этих полуобмоток создаются два противофазных питающих напряжения Щ и U”.

Рис. 5.4. Схема двухполупериодного выпрямителя трансформатора со средней точкой (а) и временные диаграммы его напряжений и гоков (6)

Процесс выпрямления в этой схеме, аналогичный процессу, происходящему в однополупериодной схеме, повторяется дважды за период, поэтому число фаз выпрямления в этой схеме т = 2. Ток через каждый вентиль здесь протекает в течение полупериода изменения напряжения сети, а через нагрузку /?„ — в течение двух полупериодов.

В интервале времени от 0 до Г, (рис. 5.4, б) в точке а схемы на рис. 5.4, а приложена положительная полуволна вторичного напряжения, а в точке с — отрицательная, поэтому вентиль VD2 закрыт, а вентиль VDI открыт, и ток течет по следующей цепи: точка а — VD — RH — точка с — верхняя половина обмотки — точка а.

В интервале времени от t до t2, напряжение, приложенное в точках а и Ь, изменяет знак на противоположный, вентиль VD закрывается, а вентиль VD2 открывается и ток течет по следующей цепи: точка b — VD2 — RH —• точка с — нижняя половина обмотки — точка Ь.

Постоянные составляющие вентильных токов протекают по вторичной обмотке в противоположных направлениях, уничтожая магнитное поле друг друга, и постоянного подмагничивания сердечника трансформатора не происходит. На нагрузочном сопротивлении напряжение пульсирующее с амплитудой, равной амплитудам напряжений половин вторичной обмотки трансформатора (точка с):

Максимальное обратное напряжение на вентиле равно амплитудному напряжению Um2 всей вторичной обмотки:

Частота пульсаций в рассматриваемой схеме /пуЛьс = 2/вх, т.е. в два раза больше, чем в одно пол упериодной схеме. Ток и напряжение нагрузки двухполупериодной схемы выпрямителя пульсирующие, т.е. имеются в каждый полупериод напряжения, поэтому постоянные составляющие напряжения UQ и тока /0 будут вдвое больше, чем в одно пол упериодной схеме:

Здесь U’m2 = UmH, т.е. амплитудное напряжение на половине вторичной обмотки равно амплитудному напряжению на нагрузке.

Средне квадратическое значение напряжения одной половины вторичной обмотки

а всей вторичной обмотки

Среднеквадратическое значение тока вторичной обмотки определяется выражением (5.9), но поскольку данная схема двухполу- периодная,

При определении среднеквадратического значения тока первичной обмотки необходимо учесть его синусоидальную форму,

т.е. = /„iA/2 , а = W-Kjp, откуда

Габаритная мощность трансформатора определяется по расчетной мощности всех его обмоток.

Расчетная мощность первичной обмотки

а мощность вторичной обмотки

Следовательно, габаритная мощность трансформатора

Обратное амплитудное напряжение вентиля определяется с учетом уравнений (5.18) и (5.20):

Среднее значение прямого тока через диод найдем исходя из того, что ток на нагрузке равен сумме токов обоих вентилей:

Амплитудное значение прямого тока диода равно амплитудному току вторичной обмотки 1т2 и определяется уравнением (5.20):

Коэффициент пульсаций выпрямленного напряжения определяется по формуле (5.4). При этом U„m находится из ряда Фурье:

Коэффициент передачи

Двухполупериодная схема выпрямления по сравнению с одно- полупериодной имеет следующие преимущества:

• • половины вторичной обмотки трансформатора рассчитываются на вдвое меньший прямой ток;
• • постоянного подмагничивания сердечника трансформатора не происходит, габаритные размеры и масса трансформатора значительно меньше;
• • меньший коэффициент пульсаций;
• • вдвое большая частота пульсаций выпрямленного напряжения, что позволяет примерно вдвое уменьшить массу и габаритные размеры конденсатора сглаживающего фильтра;
• • вдвое больший коэффициент передачи;

Обратное напряжение на вентиле в данной схеме такое же, как и в однополупериодной.

К недостаткам двухполупериодной схемы выпрямления относятся:

• • большее число вентилей;
• • более высокая цена трансформатора со средним выводом;
• • неэффективность схемы выпрямления с позиций использования трансформатора, так как каждая половина ее вторичной обмотки используется только в одном полупериоде.

Выходная частота

Двухполупериодный выпрямитель инвертирует каждый отрицательный полупериод, удваивая количество положительных полупериодов. Из-за этого у двухполупериодного выпрямителя на выходе есть в два раза больше циклов, чем на входе.

Поэтому частота двухполупериодного сигнала в два раза превышает входную частоту:

Например, если частота источника составляет 50 Гц, выходная частота будет 100 Гц.

Фильтрация напряжения двухполупериодного выпрямителя

Выходной сигнал, который мы получаем от двухполупериодного выпрямителя, представляет собой пульсирующее постоянное напряжение, которое увеличивается до максимума, а затем уменьшается до нуля.

Чтобы получить напряжение без пульсаций, нам необходимо отфильтровать выходной сигнал. Один из способов сделать это — подключить конденсатор, известный как сглаживающий конденсатор, через нагрузочный резистор, как показано ниже:

Изначально конденсатор не заряжен. В течение первой четверти цикла диод D1 смещен в прямом направлении, поэтому конденсатор начинает заряжаться. Зарядка продолжается до тех пор, пока напряжение не достигнет своего пикового значения. В этот момент напряжение на конденсаторе будет равно Vp.

После того, как входное напряжение достигает своего пика, оно начинает уменьшаться. Как только входное напряжение станет меньше Vp, напряжение на конденсаторе будет выше входного напряжения, которое закроет диод.

Когда диод не проводит, конденсатор разряжается через нагрузку, пока не будет достигнут следующий пик. Когда наступает следующий пик, диод D2 кратковременно открывается и заряжает конденсатор до пикового значения.

Расчет значения диодов

Диоды в двухполупериодных выпрямителях должны выдерживать нагрузку переменным током, нагревом, обратным напряжением. При подборе диода необходимо учесть:

1. Выходное напряжение до диода должно быть выше на 15–25% необходимого значения. Например, если требуется снять 12 вольт постоянного напряжения, то вторичная обмотка трансформатора должна выдавать не менее 15–17 вольт.
2. Рабочий порог тока должен быть в полтора-два раза выше тока выпрямителя. Максимальный ток каждого диода в цепи можно найти с использованием следующей формулы:
3. Выведенную по формуле величину можно использовать для определения значения обратного напряжения в состоянии закрытия. Данное значение должно быть в два раза больше выходного напряжения трансформатора, иначе возможен обратный p-n пробой. Делается это по такой формуле:

Также стоит учитывать материал, который используется в качестве полупроводника. Кремневые элементы более устойчивы к нагрузке обратным током и способны работать при температуре до +150 градусов. Германиевые менее устойчивы, их устойчивость к обратному напряжению составляет около 400 вольт.

Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой

Выпрямители. Как и почему.

Итак, дорогие мои, мы собрали нашу схемку и пришло время ее проверить, испытать и нарадоваться сему щастью. На очереди у нас — подключение схемы к источнику питания. Приступим. На батарейках, аккумуляторах и прочих прибамбасах питания мы останавливаться не будем, перейдем сразу к сетевым источникам питания. Здесь рассмотрим существующие схемы выпрямления, как они работают и что умеют. Для опытов нам потребуется однофазное (дома из розетки) напряжение и соответствующие детальки. Трехфазные выпрямители используются в промышленности, мы их рассматривать также не будем. Вот электриками вырастете — тогда пжалста.

Источник питания состоит из нескольких самых важных деталей: Сетевой трансформатор — на схеме обозначается похожим как на рисунке,

Выпрямитель — его обозначение может быть различным. Выпрямитель состоит из одного, двух или четырех диодов, смотря какой выпрямитель. Сейчас будем разбираться.

а) — простой диод.
б) — диодный мост. Состоит из четырех диодов, включенных как на рисунке.
в) — тот же диодный мост, только для краткости нарисован попроще. Назначения контактов такие же, как у моста под буквой б).

Конденсатор фильтра. Эта штука неизменна и во времени, и в пространстве, обозначается так:

Обозначений у конденсатора много, столько же, сколько в мире систем обозначений. Но в общем они все похожи. Не запутаемся. И для понятности нарисуем нагрузку, обозначим ее как Rl — сопротивление нагрузки. Это и есть наша схема. Также будем обрисовывать контакты источника питания, к которым эту нагрузку мы будем подключать.

Далее — пара-тройка постулатов.
— Выходное напряжение определяется как Uпост = U*1.41. То есть если на обмотке мы имеем 10вольт переменного напряжения, то на конденсаторе и на нагрузке мы получим 14,1В. Примерно так.
— Под нагрузкой напряжение немного проседает, а насколько — зависит от конструкции трансформатора, его мощности и емкости конденсатора.
— Выпрямительные диоды должны быть на ток в 1,5-2 раза больше необходимого. Для запаса. Если диод предназначен для установки на радиатор (с гайкой или отверстие под болт), то на токе более 2-3А его нужно ставить на радиатор.

Так же напомню, что же такое двуполярное напряжение. Если кто-то подзабыл. Берем две батарейки и соединяем их последовательно. Среднюю точку, то есть точку соединения батареек, назовем общей точкой. В народе она известна так же как масса, земля, корпус, общий провод. Буржуи ее называют GND (ground — земля), часто ее обозначают как 0V (ноль вольт). К этому проводу подключаются вольтметры и осциллографы, относительно нее на схемы подаются входные сигналы и снимаются выходные. Потому и название ее — общий провод. Так вот, если подключим тестер черным проводом в эту точку и будем мерить напряжение на батарейках, то на одной батарейке тестер покажет плюс1,5вольта, а на другой — минус1,5вольта. Вот это напряжение +/-1,5В и называется двуполярным. Обе полярности, то есть и плюс, и минус, обязательно должны быть равными. То есть +/-12, +/-36В, +/-50 и т.д. Признак двуполярного напряжения — если от схемы к блоку питания идут три провода (плюс, общий, минус). Но не всегда так — если мы видим, что схема питается напряжением +12 и -5, то такое питание называется двухуровневым, но проводов к блоку питания будет все равно три. Ну и если на схему идут целых четыре напряжения, например +/-15 и +/-36, то это питание назовем просто — двуполярным двухуровневым.

Ну а теперь к делу.

1. Мостовая схема выпрямления.
Самая распространенная схема. Позволяет получить однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Схема обладает минимальными пульсациями напряжения и несложная в конструкции.

2. Однополупериодная схема.
Так же, как и мостовая, готовит нам однополярное напряжение с одной обмотки трансформатора. Разница лишь в том, что у этой схемы удвоенные пульсации по сравнению с мостовой, но один диод вместо четырех сильно упрощает схему. Используется при небольших токах нагрузки, и только с трансформатором, много большим мощности нагрузки, т.к. такой выпрямитель вызывает одностороннее перемагничивание трансформатора.

3. Двухполупериодная со средней точкой.
Два диода и две обмотки (или одна обмотка со средней точкой) будут питать нас малопульсирующим напряжением, плюс ко всему мы получим меньшие потери в сравнении с мостовой схемой, потому что у нас 2 диода вместо четырех.

4. Мостовая схема двуполярного выпрямителя.
Для многих — наболевшая тема. У нас есть две обмотки (или одна со средней точкой), мы с них снимаем два одинаковых напряжения. Они будут равны, пульсации будут малыми, так как схема мостовая, напряжения на каждом конденсаторе считается как напряжение на каждой обмотке помножить на корень из двух — всё, как обычно. Провод от средней точки обмоток выравнивает напряжения на конденсаторах, если нагрузки по плюсу и по минусу будут разными.

5. Схема с удвоением напряжения.
Это две однополупериодные схемы, но с диодами, включенными по разному. Применяется, если нам надо получить удвоенное напряжение. Напряжение на каждом конденсаторе будет определяться по нашей формуле, а суммарное напряжение на них будет удвоенным. Как и у однополупериодной схемы, у этой так же большие пульсации. В ней можно усмотреть двуполярный выход — если среднюю точку конденсаторов назвать землей, то получается как в случае с батарейками, присмотритесь. Но много мощности с такой схемы не снять.

6. Получение разнополярного напряжения из двух выпрямителей.
Совсем не обязательно, чтобы это были одинаковые блоки питания — они могут быть как разными по напряжению, так и разными по мощности. Например, если наша схема по +12вольтам потребляет 1А, а по -5вольтам — 0,5А, то нам и нужны два блока питания — +12В 1А и -5В 0,5А. Так же можно соединить два одинаковых выпрямителя, чтобы получить двуполярное напряжение, например, для питания усилителя.

7. Параллельное соединение одинаковых выпрямителей.
Оно нам дает то же самое напряжение, только с удвоенным током. Если мы соединим два выпрямителя, то у нас будет двойное увеличение тока, три — тройное и т.д.

Ну а если вам, дорогие мои, всё понятно, то задам, пожалуй, домашнее задание. Формула для расчета емкости конденсатора фильтра для двухполупериодного выпрямителя:

Для однополупериодного выпрямителя формула несколько отличается:

Двойка в знаменателе — число «тактов» выпрямления. Для трехфазного выпрямителя в знаменателе будет стоять тройка.

Во всех формулах переменные обзываются так:
Cф — емкость конденсатора фильтра, мкФ
Ро — выходная мощность, Вт
U — выходное выпрямленное напряжение, В
f — частота переменного напряжения, Гц
dU — размах пульсаций, В

Для справки — допустимые пульсации:
Микрофонные усилители — 0,001. 0,01%
Цифровая техника — пульсации 0,1. 1%
Усилители мощности — пульсации нагруженного блока питания 1. 10% в зависимости от качества усилителя.

Эти две формулы справедливы для выпрямителей напряжения частотой до 30кГц. На бОльших частотах электролитические конденсаторы теряют свою эффективность, и выпрямитель рассчитывается немного не так. Но это уже другая тема.