Мостовая схема выпрямителя.

Внеаудиторное задание к практическому заданию №19
Тема: Составление схемы выпрямителя.
Цель: закрепить и углубить теоретические знания по расчету основных
параметров
выпрямителя;
приобрести
практический
навык
выбора
полупроводниковых диодов и составления из них схем выпрямителей.
Ход работы
1. Изучить краткие теоретические сведения.
2. Рассмотреть пример выполнения задания.
3. Выполнить индивидуальное задание.
1. Краткие теоретические сведения
Выпрямитель — преобразователь
механическое,
электровакуумное,
электрической
полупроводниковое
энергии;
или
другое
устройство, предназначенное для преобразования переменного входного
электрического тока в постоянный выходной электрический ток.
Выпрямители используются в блоках питания радиоэлектронных
устройств для преобразования переменного напряжения в постоянное. Схема
любого выпрямителя содержит 3 основных элемента:

Силовой трансформатор – устройство для понижения или повышения
напряжения питающей сети и гальванической развязки сети с
аппаратурой.

Выпрямительный
элемент
(вентиль),
имеющий
одностороннюю
проводимость – для преобразования переменного напряжения в
пульсирующее.

Фильтр – для сглаживания пульсирующего напряжения.
Основными характеристиками выпрямителей являются:

Номинальное напряжение постоянного тока – среднее значение
выпрямленного напряжения, заданное техническими требованиями.
Обычно указывается напряжение до фильтра U0 и напряжение после
фильтра (или отдельных его звеньев – U. Определяется значением
напряжения, необходимым для питаемых выпрямителем устройств.

Номинальный
выпрямленный
ток
I0
–
среднее
значение
выпрямленного тока, т.е. его постоянная составляющая, заданная
техническими требованиями. Определяется результирующим током
всех цепей питаемых выпрямителем.

Напряжение сети Uсети – напряжение сети переменного тока, питающей
выпрямитель. Стандартное значение этого напряжения для бытовой
сети –220 вольт с допускаемыми отклонениями не более 10 %.

Пульсация – переменная составляющая напряжения или тока на
выходе выпрямителя. Это качественный показатель выпрямителя.

Частота
пульсаций
–
частота
наиболее
резко
выраженной
гармонической составляющей напряжения или тока на выходе
выпрямителя. Для самой простой - однополупериодной схемы
выпрямителя частота пульсаций равна частоте питающей сети.
Двухполупериодные, мостовые схемы и схемы удвоения напряжения
дают пульсации, частота которых равна удвоенной частоте питающей
сети. Многофазные схемы выпрямления имеют частоту пульсаций,
зависящую от схемы выпрямителя и числа фаз.

Коэффициент пульсаций – отношение амплитуды наиболее резко
выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на
выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока.
Различают коэффициент пульсаций на входе фильтра (p 0 %) и
коэффициент пульсаций на выходе фильтра (p %). Допускаемые
значения коэффициента пульсаций на выходе фильтра определяются
характером нагрузки.

Коэффициент фильтрации (коэффициент сглаживания) – отношение
коэффициента пульсаций на входе фильтра к коэффициенту пульсаций
на выходе фильтра kс = p0/p. Для многозвенных фильтров коэффициент
фильтрации
равен
произведению
коэффициентов
фильтрации
отдельных звеньев.

Колебания (нестабильность) напряжения на выходе выпрямителя –
изменение напряжения постоянного тока относительно номинального.
При
отсутствии
стабилизаторов
напряжения
определяются
отклонениями напряжения сети.
Выпрямители,
выполняются
по
применяемые
4
для
основным
однофазной
схемам:
бытовой
сети
однополупериодной,
двухполупериодной с нулевой точкой (или просто - двухполупериодной),
двухполупериодной мостовой (или просто – мостовой, реже называется как
“схема Греца”), и схема удвоения(умножения) напряжения (схема Латура).
Для многофазных промышленных сетей применяются две разновидности
схем: Однополупериодная многофазная и схема Ларионова.
Чаще всего используются трехфазные схемы выпрямителей.
Однополупериодный выпрямитель.
Рисунок 1. Принципиальная схема однополупериодного выпрямителя
U2 - Напряжение на вторичной обмотке трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Недостатками такой схемы выпрямления являются: Высокий уровень
пульсации выпрямленного напряжения, низкий КПД, значительно больший,
чем в других схемах, вес трансформатора и нерациональное использование в
трансформаторе меди и стали.
Данная схема выпрямителя применяется крайне редко и только в тех
случаях, когда выпрямитель используется для питания цепей с низким током
потребления.
Двухполупериодный выпрямитель с нулевой точкой.
Рисунок 2. Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя
U2 - Напряжение на одной половине вторичной обмотки
трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
В этом выпрямителе используются два вентиля, имеющие общую
нагрузку и две одинаковые вторичные обмотки трансформатора(или одну со
средней точкой).
Практически схема представляет собой два однополупериодных
выпрямителя, имеющих два разных источника и общую нагрузку. В одном
полупериоде переменного напряжения ток в нагрузку проходит с одной
половины вторичной обмотки через один вентиль, в другом полупериоде - с
другой половины обмотки, через другой вентиль.
Преимущество: Эта схема выпрямителя имеет в 2 раза меньше
пульсации по сравнению с однополупериодной схемой выпрямления.
Емкость конденсатора при одинаковом с однополупериодной схемой
коэффициенте пульсаций может быть в 2 раза меньше.
Недостатки:
Более
сложная
конструкция
трансформатора
нерациональное использование в трансформаторе меди и стали.
и
Мостовая схема выпрямителя.
Рисунок 3. Принципиальная схема мостового выпрямителя
U2 - Напряжение вторичной обмотки трансформатора
Uн – Напряжение на нагрузке.
Uн0 – Напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора.
Основная особенность данной схемы – использование одной обмотки
трансформатора при выпрямлении обоих полупериодов переменного
напряжения.
При
выпрямлении
положительного
полупериода
переменного
напряжения ток проходит по следующей цепи: Верхний вывод вторичной
обмотки – вентиль V2 – верхний вывод нагрузки – нагрузка - нижний вывод
нагрузки - вентиль V3 – нижний вывод вторичной обмотки – обмотка.
При
выпрямлении
отрицательного
полупериода
переменного
напряжения ток проходит по следующей цепи: Нижний вывод вторичной
обмотки – вентиль V4 – верхний вывод нагрузки - нагрузка – нижний вывод
нагрузки – вентиль V1 – верхний вывод вторичной обмотки – обмотка.
Преимущества: По сравнению с однополупериодной схемой мостовая
схема имеет в 2 раза меньший уровень пульсаций, более высокий КПД, более
рациональное использование трансформатора и уменьшение его расчетной
мощности. По сравнению с двухполупериодной схемой мостовая имеет более
простую конструкцию трансформатора при таком же уровне пульсаций.
Обратное напряжение вентилей может быть значительно ниже, чем в первых
двух схемах.
Недостатки:
Увеличение
числа
вентилей
и
необходимость
шунтирования вентилей для выравнивания обратного напряжения на каждом
из них.
Данное практическое задание относится к расчету выпрямителей
переменного тока, собранных на полупроводниковых диодах. Подобные
схемы выпрямителей находят сейчас применение в различных электронных
устройствах и приборах. При решении задачи следует помнить, что
основными параметрами полупроводниковых диодов является допустимый
ток Iдоп, на который рассчитан данный диод, и величина обратного
напряжения Uобр, которое выдерживает диод без пробоя в непроводящий
период.
Обычно при составлении реальной схемы выпрямителя задаются
величиной мощности потребителя Pd Вт получающего питание от данного
выпрямителя, и выпрямленным напряжением Ud В, при котором работает
потребитель постоянного тока. Отсюда нетрудно определить ток потребителя
Id = Pd / Ud. Сравнивая ток потребителя с допустимым током диода Iдоп,
выбирают диоды для схемы выпрямителя. Следует учесть, что для однополупериодного выпрямителя ток через диод равен току потребителя, то есть
следует соблюдать условие Iдоп = Id. Для трехфазного выпрямителя, то есть
ток через диод составляет треть тока потребителя, следовательно,
необходимо, чтобы Iдоп > 1/3 Id. Для двухполупериодной и мостовой схем
выпрямления ток через диод равен половине тока потребителя, то есть
следует соблюдать условие Iдоп > 0,5 Id.
Величина напряжения, действующая на диод в непроводящий период,
также зависит от той схемы выпрямления, которая применяется в конкретном
случае. Так, для однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей
UВ = Ud = 3,14Ud, для мостового выпрямителя UВ = Ud / 2 = 1,57Ud, а для
трехфазного выпрямителя UB = 2,1Ud. При выборе диода, следует отметить,
должно быть выполнено условие Uобр > UB.
2. Пример выполнения задания
Пример 1.
Составить схему однофазного мостового выпрямителя, использовав одни из
4 промышленных диодов: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б.
Мощность потребителя Рd = 300 Вт, напряжение потребителя Ud =200 В.
Дано: Pd = 300 Вт
Ud = 200 B
Диоды: Д218, Д222, КД202Н, Д215Б.
Составить схему мостового выпрямителя.
Решение:
1. Выписываем из таблицы 1 параметры указанных диодов:
Тип
Iдоп,
Uобр,
диода
А
В
Д218
0,1
1000
Д222
0,4
600
Тип
диода
Iдоп,
Uобр,
А
В
КД202Н
1
500
Д215Б
2
200
2. Определяем ток потребителя:
Id = Pd / Ud = 300/200 = 1,5А.
3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период
для мостовой схемы выпрямителя.
Uв = 1,57 Ud = 1,57 · 200 = 314 В
4. Выбираем диод из условия.
Iдоп > 0,5 Id > 0,5 · 1,5 > 0,75 A;
Uобр > Uв > 314 B.
Этим условиям удовлетворяет диод КД202Н:
Iдоп = 1,0 > 0,75 A;
Uобр =500 > 314B.
Диоды Д218 и Д222 подходят только по Uобр.доп. так как 1000 и 600 В
больше 3,14, но не подходят по допустимому току, так как 0,1 и 0,4 меньше
0,75 А. Диод Д215Б, наоборот, подходит по допустимому току, так как 2 А >
0,75А, но не подходит по обратному напряжению, так как 20 В < 314 В.
5.
Составляем схему мостового выпрямителя. В этой схеме каждый из
диодов имеет параметры диода КД202Н: Iдоп = 1 А, Uобр = 500 В.
Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Полная схема однофазного мостового выпрямителя
Пример 2.
Для питания постоянным током потребителя мощностью Рd = 250 Вт при
напряжении Ud =100 В необходимо собрать схему двухполупериодного
выпрямителя, использовав стандартные диоды типа Д234Б.
Дано: Pd = 250 Вт
Ud = 100 B
Диод: Д243Б.
Составить схему выпрямителя.
Решение:
1. Выписываем из таблицы 1 параметры диода Д243Б
Iдоп = 2 A; Uобр = 200 B.
2. Определяем ток потребителя
Id = Pd/ Ud = 250/100 = 2,5A
3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
UB = 3,14·Ud = 3,14 · 100 = 314 B.
4. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод
должен удовлетворять условиям Uобр > UB, Iдоп > 0,5·Id. В данном случае
первое условие не соблюдается, так как 200 < 314 В, то есть второе условие
выполняется, так как 0,5·Id = 0,5 · 2,5 = 1,25 < 2 A.
5. Составляем схему выпрямителя. Для того, чтобы выполнить условия,
необходимо два диода соединить последовательно, тогда
UB = 200 · 2 = 400 > 314 B.
Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Полная схема двухполупериодного выпрямителя
Пример 3.
Для питания постоянным током потребителя мощностью 300 Вт при
напряжении
20
В
необходимо
собрать
схему
однополуперидного
выпрямителя, использовав имеющиеся стандартные диоды Д242А.
Дано: Pd = 300 Вт
Ud = 20 B
Диод: Д242A.
Составить схему выпрямителя.
Решение:
1. Выписываем параметры диода: Iдоп=10 А, Uобр=100 В.
2. Определяем ток потребителя
Id=Pd/Ud=300/20=15 А.
3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
Uв=3,14·Ud=3,14·20=63 В.
3. Проверяем диод по параметрам Iдоп и Uобр. Для данной схемы диод
должен удовлетворять условиям
Uобр > Uв,
Iдоп > Id.
В данном случае второе условие не соблюдается (10 < 15 А, т.е. Iдоп < Id).
Первое условие выполняется (100 > 63 В).
5. Составляем схему выпрямителя. Чтобы выполнялось условие Iдоп > Id
надо два диода соединить параллельно, тогда Iдоп = 2·10 = 20 А; 20 > 15 А.
Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 6.
U
RH
Рисунок 6. Полная схема однополуперидного выпрямителя
Пример 4.
Для составления схемы трехфазного выпрямителя на трех диодах заданы
диоды Д243. Выпрямитель должен питать потребитель с Ud =150В.
Определить допустимую мощность потребителя и пояснить порядок
составления схемы выпрямителя.
Дано: Ud = 150 B
Диод: Д243
Определить Pd и составить схему выпрямителя.
Решение
1. Выписываем из таблицы 1 параметры диода:
Iдоп = 5 А,
Uобр=200 В.
2. Определяем допустимую мощность потребителя. Для трехфазного
1
выпрямителя 𝐼доп > ∙ 𝐼𝑑 , т.е. Pd = 3·Ud·Iдоп = 3·150·5 = 2250 Вт.
3
Следовательно, для данного выпрямителя Pd ≥ 2250 Вт.
3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий период:
Uв = 2,1·Ud = 2,1·150 = 315 В.
4.
Составляем схему выпрямителя. Проверяем диод по условию. В
данном случае это условие не выполняется, так как 200 ≤ 315 В,
т.е. Uобр <. Uв. Чтобы это условие выполнялось, необходимо в каждом
плече выпрямителя два диода соединить последовательно, тогда
Uобр = 200·2 = 400 В; 400 ≥ 315 В.
Полная схема выпрямителя приведена на рисунке 7.
Рисунок 7. Полная схема трехфазного выпрямителя
Таблица 1
Технические данные полупроводниковых диодов
Тип
Iдоп,
Uобр,
диода
А
В
Д7Г
0,3
200
Д205
0,4
Д207
Тип
диода
Iдоп,
Uобр,
А
В
Д231
10
300
400
Д231Б
5
300
0,1
200
Д232
10
400
Д209
0,1
400
Д232Б
5
400
Д210
0,1
500
Д233
10
500
Д211
0,1
600
Д233Б
5
500
Д214
5
100
Д234Б
5
600
Д214А
10
100
Д242
5
100
Д214Б
2
100
Д242А
10
100
Д215
5
200
Д242Б
2
100
Д215А
10
200
Д243
5
200
Д215Б
2
200
Д243А
10
200
Д217
0,1
800
Д243Б
2
200
Д218
0,1
1000
Д244
5
50
Д221
0,4
400
Д244А
10
50
Д222
0,4
600
Д244Б
2
50
Д224
5
50
Д302
1
200
Д224А
10
50
Д303
3
150
Д224Б
2
50
Д304
3
100
Д226
0,3
400
Д305
6
50
Д226А
0,3
300
КД202А
3
50
КД202Н
1
500
5. Индивидуальные задания для обучающихся
Вариант, подлежащий решению, определяется по последней цифре
зачетной книжки.
Задача 1.
Однополупериодный
выпрямитель
должен
питать
потребитель
постоянным током. Мощность потребителя Pd (Вт) при напряжении
питания Ud (В). Следует выбрать один из трех типов полупроводниковых
диодов, параметры которых приведены в табл. 2 для схемы выпрямителя, и
пояснить, на основании чего сделан выбор. Начертить схему выпрямителя.
Данные для своего варианта взять из таблицы 2.
Таблица 2
Вариант
Тип диода
Рd,
Вт
Ud, В
1
Д242Б, Д244А, Д221
50
10
2
Д209, Д303, Д7Г
100
40
3
Д244Б, Д302, Д205
20
80
4
Д214, КД202Н, Д215Б
70
100
5
Д214А, Д224Б, Д302
60
30
6
Д242Б, Д244А, Д221
70
100
7
Д209, Д303, Д7Г
20
80
8
Д244Б, Д302, Д205
100
40
9
Д214, КД202Н, Д215Б
60
30
0
Д214А, Д224Б, Д302
50
10
Задача 2.
Составить схему двухполупериодного выпрямителя, использовав
стандартные диоды, параметры которых приведены в табл. 1 . Определить
допустимую
мощность
потребителя,
если
величина
выпрямленного
напряжения Ud (В), ток потребителя Id (А). Данные для своего варианта
взять из табл. 3 .
Таблица 3
Вариант
Тип
диода
Ud, В
Вариант
Тип
диода
Ud, В
1
Д218
300
6
Д243
70
2
Д7Г
80
7
Д304
10
3
Д244
20
8
Д303
40
4
Д224
20
9
Д233Б
200
5
Д226А
150
0
Д215
20
Задача 3.
Составить схему мостового выпрямителя, использовав стандартные
диоды, параметры которых приведены в таблице 1. Мощность потребителя
Pd (Вт) при напряжении питания Ud (В). Пояснить порядок составления
схемы для диодов с этими параметрами и начертить схему. Данные для
своего варианта взять из табл. 4.
Таблица 4
Вари
ант
Тип
диода
Pd,
Вт
Ud,
В
Вари
ант
Тип
диода
Pd,
Вт
Ud,
В
1
Д218
450
300
6
Д243
150
70
2
Д7Г
150
80
7
Д304
50
10
3
Д244
60
20
8
Д303
100
40
4
Д224
40
20
9
Д233Б
250
200
5
Д226А
200
150
0
Д215
25
20
Задача 4.
Трехфазный выпрямитель, собранный на трех диодах, должен питать
потребитель постоянным током. Мощность потребителя Pd (Вт) при
напряжении питания Ud (В). Следует выбрать один из трех типов
полупроводниковых диодов, параметры которых приведены в табл. 1 для
схемы выпрямителя, и пояснить, на основании чего сделан выбор. Начертить
схему выпрямителя. Данные для своего варианта взять из табл. 5 .
Таблица 5
Вариант
Тип диода
Рd,
Вт
Ud, В
1
Д242Б, Д244А, Д221
50
10
2
Д209, Д303, Д7Г
100
40
3
Д244Б, Д302, Д205
20
80
4
Д214, КД202Н, Д215Б
70
100
5
Д224, Д207, Д214Б
90
30
6
Д215А, Д234Б, Д218
100
40
7
Д244А, Д7Г , Д210
60
80
8
Д232, КД202Н, Д222
900
150
9
Д214, КД202Н, Д215Б
900
200
0
Д214А, Д224Б, Д302
500
10
Библиографический список
1. Синдеев Ю.Г. Электротехника с основами электроники: учебник для
учащихся профессиональных училищ и колледжей. Ростов н/Д.:
«Феникс», 2000.
2. Бутырин
П.А.
Электротехника
-
учебник
для
учащихся
профессиональных училищ - М.: Издательский центр «Академия»,
2006
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/%C2%FB%EF%F0%FF%EC%E8%F2%E5%
EB%FC http://pandia.ru/text/78/014/6709-3.php
4. http://www.cqham.ru/pow2_15.htm