Параллельное соединение выпрямителей

Содержание

Выпрямитель тока

Выпрямители электрического тока представляют собой различные преобразователи сигналов. Согласно характеру устройства, могут быть полупроводниками на базе диодов или транзисторов, механическими либо вакуумными. Функция агрегата – превращение переменного сигнала, идущего ко входу, в постоянный на выходе. Большая часть подобных устройств может создать пульсирующий электрический ток, оставляя на выходе пульсации. Поэтому требуется дополнительно доукомплектовывать цепь фильтрами, которые бы сглаживали колебания. Устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный, называется инвертором и применяется в источниках бесперебойного питания и аккумуляторах.

Какие бывают выпрямители

Построение устройств, выпрямляющих переменный ток, базируется на функции итогового агрегата. При необходимости только выравнивать колебания сборка на печатных платах производится за счет неуправляемых полупроводниковых элементов – диодов. Таким образом строятся простейшие выравнивающие элементы.

При необходимости изменений уровня мощности, которая передается на принимающее оборудование, устройство собирают с использованием контролируемых вентилей (тиристоров). Такие выпрямители тока требуются для работы некоторых двигателей, работающих за счет электричества. За счет регулировки подаваемого напряжения изменяется скорость вращения ротора.

N-фазные выпрямители

В подобных устройствах насчитывают более 3 фаз для выпрямления тока. Другие конструктивные особенности различаются. Многофазный выпрямитель может состоять как из полноценного моста, так и из четверти и половины. По количеству входов и распараллеливанию их делят на раздельные, объединенные звездами или кольцами. Кроме того, существуют последовательные виды.

Принцип работы выпрямителей сигналов

Что такое выпрямитель? Устройство работает за счет свойств полупроводниковых радиоэлементов по пропусканию тока исключительно от анода к катоду. Поэтому при прохождении через устройство синусоиды переменного тока происходит обрезка отрицательной части волны. Таким образом на выходе радиоэлемента остается только положительная полуволна. Электрический ток подобного типа называется однополупериодным с пульсациями. От анода к катоду проходит сигнал только ½ всего времени. Колебания происходят от нуля до максимального значения.

Строение двухполупериодных устройств базируется на мосту из четырех вентилей, которые приводят к попаданию всех полуволн. При этом отрицательная полуволна инвертируется. Фактически строение двухполупериодных выпрямителей аналогично двум или более однополупериодным с катодами, направленными один на другой.

Классификация по назначению и устройству

Выпрямители переменного тока разделяют на несколько различных видов, в зависимости от характеристик, использования периодов переменного тока, схем, по количеству фаз и типу пропускающего элемента. В общем виде классификация имеет следующий вид:

  • По количеству периодов, задействованных в работе (одно,- и двухполупериодные, а также с полным и неполным использованием волны);
  • По типажу устройства делят на включающие электронный мост, умножающие напряжение, с наличием или отсутствием трансформаторов;
  • По количеству фаз разделяют на однофазные, двух, трех,- и N-фазные;
  • Согласно типу устройства, пропускающего синусоиду, делят на полупроводниковые диодные и тиристорные, механические и вакуумные, ртутные;
  • По виду пропускаемой волны делят на импульсные, аналоговые и цифровые.

Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Представляет собой простейшее устройство, преобразовывающее сигнал из переменного электрического тока в постоянный. Таким образом происходит сглаживание уровня сигнала. Схема построена на одном полупроводниковом вентиле (диоде). Редко применяется в промышленности, так как для питания автоматики и аппаратуры требуется добавление в цепь питания фильтров, которые бы сглаживали полуволну. Поэтому размеры и масса устройств на базе данного выпрямителя выходят слишком значительными. Не подходит к электрическому току с промышленной частотой сигнала в 50-60 Герц.

Такая схема выпрямителя используется в импульсных БП. Требуется для компьютерной техники и с высокой частотой сигнала – около 10 Герц. Также применяется в промышленности для выпрямления высокочастотного тока.

Устройство отличается следующими достоинствами:

  • Высокая частота пульсация;
  • Повышенная нагрузка на выпрямляющее устройство;
  • Ухудшение работы трансформатора вследствие намагничивания;
  • Невысокий показатель соотношения габаритов к мощности.

Два четвертьмоста параллельно

Данная схема состоит из двух четвертьмостов с одним периодом, которые работают независимо один от одного, на одну мощность. Принцип работы заключается в распараллеливании полуволны на 2 части. При первом временном промежутке происходит на одну половину, затем через часть схемы.

Два полных моста последовательно

Это двухфазная схема, которая включает два последовательных диодных моста. При этом электродвижущая сила равняется удвоенной относительно полного моста с одной фазой. Относительно сопротивление увеличивается в 4 раза.

Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема

В таком устройстве диодные мосты подключается ко вторичной обмотке трансформирующего прибора. Полупроводниковые элементы работают попарно, каждый со своей очередностью, пропуская только положительную или отрицательную полуволну. Таким образом частота колебания мощности, которая была выпрямлена, вдвое выше частоты тока в сети.

Три полных моста параллельно (12 диодов)

Это менее распространенная схема, состоящая из 12 параллельно соединенных диодов. По большинству характеристик значительно превосходит другие выпрямители напряжения. При прохождении электрического тока через всю схему исходящее напряжение выходит без пульсаций.

Три полных моста последовательно

Последовательная схема с двенадцатью диодами представляет собой трехфазный выпрямитель тока. Сопротивление в ней эквивалентно трем диодным мостам, в каждом из которых уровень сопротивления равен 3R. Таким образом, общий уровень препятствия движению заряженных частиц приблизительно равен 9R. В то время как частота колебаний в 6 раз выше, чем такая же от поступающего сигнала. Достоинством такого выпрямителя является наибольшая средняя электродвижущая сила, поэтому он часто используется в источниках мощности с большим выходным напряжением.

Трехфазная схема выпрямления

Устройства с тремя входящими фазами являются достаточно распространенными. Они обрезают часть волны, за счет чего значительно снижают колебания. Наиболее популярна трехдиодная схема Миткевича и шестидиодная схема Ларионова.

Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)

Такая схема нередко называется шестифазной. По свойствам похожа на выпрямитель, состоящий из трех полных диодных блоков, соединенных последовательно. Однако в данной схеме значительно повышается уровень эквивалентного сопротивления. Последовательная схема состоит из 6 диодов и резистора, поэтому относительный ток через каждый из проводящих элементов вдвое выше.

Модификации с гальванической развязкой

Накопительные элементы могут быть добавлены в схему для улучшения выходных характеристик. Применение конденсаторов и батарей позволит однопериодному выпрямителю во время отрицательной полуволны продолжать подавать на выход напряжение, которое накопилось во время положительной. Кроме того, накопление мощности на конденсаторе приводит к снижению максимального напряжения полуволны на выходе. Подобные схемы часто используются в усилителях.

Как происходит выпрямление переменного тока

Действие над полуволнами осуществляется за счет использования свойств полупроводниковых либо механических вентилей. За счет PN перехода диод пропускает ток только в том случае, если на аноде напряжение выше, чем на катоде. Поэтому при прохождении через полупроводниковый элемент остается только положительная полуволна. При использовании диодных мостов каждый элемент работает попарно, выдавая на выход положительное и отрицательное напряжение раздельно.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Усредненный показатель сглаженного напряжения для выпрямителя рассчитывается по формуле:

В однополупериодных простейших схемах, которые построены на одном диоде (четверть моста), значение приблизительно равно 0.45 от входящего напряжения в вольтах.

Читайте также:  Стабилизатор тока на полевом транзисторе для светодиода

Для чего постоянный ток

Переменный ток не подходит для некоторых задач. Аккумуляторные батареи возможно заряжать только постоянным током. То же самое касается электролизных установок. Также это требуется для работы осветительных приборов и большинства компактных устройств: компьютеров и телефонов.

Основные соотношения для выпрямителя

Главные параметры для выпрямителя выбираются в момент времени. Расчет величин происходит по образной формуле:

Где:

  • Um – параметр, соответствующий колебаниям синусоиды переменного тока;
  • U – текущее значение напряжения на синусоиде;
  • U2 – текущая величина мощности в обмотке трансформатора;
  • Ud – усредненный показатель выпрямленной мощности;
  • Udo – константа, которая отвечает за постоянное сглаженное напряжение без подачи питания.

Средний ток диодов

Полупроводниковые радиоэлементы обладают выпрямляющими свойствами. Поэтому их важнейшей характеристикой считается средний ток. Данная величина представляет собой усредненную за время работы сглаженного постоянного тока через полупроводниковый период. В вентилях выпрямительного типа значение может достигать от сотых частей до 100 и выше Ампер.

Мостовой удвоитель напряжения

Схема сходна по структуре с мостом Гретца, однако дополнительно устанавливаются накопительные элементы. Это позволяет суммировать напряжение на выходе из мощности, накопленной конденсаторами за время прохождения тока. Удвоение представляет собой преобразование низкочастотного переменного напряжения в высокочастотное постоянное.

Выпрямитель – это устройство, которое превращают переменный ток, полученный из сети, в нужный постоянный. При этом электрический ток на выходе может обладать сниженной амплитудой колебаний либо быть полностью сглаженным. Таким образом, устройства, требующие для работы постоянного напряжения, получают питание. Используется для зарядки большинства аккумуляторов, например, в зарядном устройстве Рассвет, сварочных аппаратах и электросиловых установках. Класс устройства определяется количеством диодов.

Видео

Используем параллельное соединение нескольких MAX40200 в качестве идеального диода

В данной статье рассматривается возможность использования нескольких интегральных схем (ИС) MAX40200 производства Maxim Integrated в параллельном подключении, а также их комбинированные параметры. Совместное применение нескольких ИС MAX40200 в роли идеального диода должно суммарно обеспечивать такие же характеристики, как и у одного более крупного устройства.

Общие рекомендации

MAX40200 – это идеальный диодный токовый переключатель с настолько малым падением напряжения прямого смещения на полупроводниковом переходе, что оно почти на порядок меньше, чем у диодов Шоттки. В MAX40200 реализована защита самой ИС и подключенных к выходу цепей от превышения температуры. В отключенном состоянии (на выводе EN установлен низкий уровень) ИС блокирует прямое и обратное напряжения до 6 В, что делает ее пригодной для большинства низковольтных портативных электронных устройств. При обратном смещении диодного перехода MAX40200 ток утечки меньше, чем у многих сопоставимых диодов Шоттки. MAX40200 работает с напряжением питания 1,5…5,5 В.

Идеальный интегральный диод MAX40200 имеет целый ряд преимуществ, среди которых:

  • незначительный ток в дежурном режиме – 7 мкА;
  • малая рассеиваемая мощность – всего 125 мкА при токе 1 А;
  • небольшое падение напряжения (примерно 18 мВ) для прямого тока – до 100 мА;
  • время переключения между прямым и обратным напряжением смещения – менее 100 мкс;
  • компактный корпус типа WLP с четырьмя выводами;
  • отпирающий/запирающий сигнал и тепловая защита.

Одной из важных особенностей ИС MAX40200, применяемой в качестве идеальных диодов, является использование MOSFET вместо обычной биполярной полупроводникой технологии, что позволяет, по сути, обеспечить для нагрузки гальваническую развязку по току. В данной статье исследуются характеристики нескольких параллельно соединенных ИС MAX40200.

Комплект из нескольких идеальных диодов должен обеспечивать те же характеристики, что и один более мощный диод. Для этого необходимо подобрать некоторое количество MAX40200. Например, можно использовать две параллельно соединенных ИС для системы на 2 А и, соответственно, четыре параллельных ИС для системы на 4 А.

Экспериментальные результаты

На рисунке 1 показаны четыре параллельно подключенных MAX40200, которые обеспечивают ток до 4 А. Если все ИС размещены близко друг к другу, то они имеют почти одинаковую температуру. И, следовательно, при одинаковой температуре должны иметь сходные характеристики. На рисунке 2 показана зависимость падения прямого напряжения на ИС от протекающего постоянного тока. На рисунке 3 сравниваются графики зависимости напряжения от тока для одной и четырех ИС MAX40200, подтверждающие, что характеристики для одного устройства MAX40200 и для четырех MAX40200 очень похожи.

Рис. 1. Типичная схема параллельного подключения диодов для увеличения нагрузочной способности цепи по току

Рис. 2. Зависимость прямого падения напряжения на MAX40200 от величины протекающего через них прямого тока

Рис. 3. Сравнение характеристик одного и четырех MAX40200

На рисунке 4 представлена схема с открытием и закрытием диодов для протекающего тока. На рисунках 5 и 6 представлены наблюдаемые результаты.

Рис. 4. Схема включения/выключения диодов

Рис. 5. Переходные процессы при открытом диоде (IFWD = 4 A)

Рис. 6. Переходные процессы при открытом/закрытом диоде (IFWD = 4 A)

Обратите внимание, что VIN на рисунке 5 представляет важный переходный процесс. Это связано с тем, что переходная характеристика меняющейся нагрузки источника питания используется при токе 0…4 А. Этот переходный процесс также виден на VLOAD.

На рисунке 7 представлена схема для измерения переходных характеристик на нагрузке. Здесь могут возникать условия для появления кратковременной повышенной нагрузки, когда проводящее устройство должно быть способным обеспечить необходимый ток с незначительными колебаниями VFWD. Это связано с тем, что VLOAD (V) обычно является источником питания для последующих цепей. На рисунке 8 показаны переходные процессы при изменяющейся нагрузке.

Рис. 7. Схема для контроля переходных процессов на нагрузке

Рис. 8. Переходные процессы на нагрузке (IFWD = 200 мА…3,8 A)

В показанной на рисунке 9 схеме используется стандартный диод Шоттки CMCH5-20 (20 В, 5 А) вместе с четырьмя ИС MAX4200. Переходный процесс создан на участке VIN2, чтобы имитировать вариант схемы диодного «ИЛИ» для выбора пути тока.

Рис. 9. Диодная схема «ИЛИ» на основе стандартного диода и четырех устройств MAX40200

Когда VIN2 (3,3 В) меньше чем VIN1 (3,6 В), выбранным источником напряжения будет VIN1 и диод D1 оказывается обратносмещенным. Когда VIN2 будет более 3,6 В, D1 переходит в проводящее состояние, а U1…U4 выключаются. На рисунках 10а и 10б отображены переходные характеристики схемы, представленной на рисунке 9.

Рис. 10. Переходные характеристики диодного соединения «ИЛИ»

Особенности трассировки печатной платы

На рисунке 11 показан типичный пример размещения дорожек на печатной плате для четырех параллельно соединенных ИС MAX40200. Как видно, цепи VDD и OUT на плате имеют медные площадки большого размера для уменьшения сопротивления и плотности тока. Обе цепи – VDD и OUT – размещены на верхней стороне платы без использования межслойных перемычек. Поскольку физический механизм, обеспечивающий разделение тока нагрузки, является тепловым, параллельно соединенные идеальные диоды должны располагаться как можно ближе друг к другу. Учитывая вероятность повышенных токов или отсутствия параллельно подключенных компонентов, следует использовать печатную плату с наиболее толстым слоем меди. Это помогает лучше рассеивать выделяющееся тепло и уменьшает падение напряжения при высоких токах. Обратите внимание, что корпус WLP оптимален для параллельного соединения нескольких устройств – этому способствуют его небольшие размеры и хорошая теплопроводность.

Рис. 11. Пример компоновки печатной платы

Как показано на рисунке 12, отдельные компоненты размещены с зазором в 12 мм, что гарантирует термическую равноценность всех ИС MAX40200. Параллельно соединенные ИС следует защитить от повышенного теплового воздействия внешних источников тепла. В противном случае все работающие при высокой температуре устройства будут иметь повышенное RON. Неравномерное распределение температуры на плате под установленными ИС приводит к неравному разделению тока. Не рекомендуется использовать переходные отверстия на основных проводящих участках платы (VDD или OUT), так как они добавляют паразитную индуктивность и увеличивают эффективное RON в основной цепи, таким образом повышая прямое падение напряжения (VFWD).

Рис. 12. Расстояние между размещенными рядом MAX40200

На рисунке 13 показана разница температур окружающей среды и платы с параллельно соединенными MAX40200. Обратите внимание что разность температур прямо пропорциональна прямому току нагрузки, проходящему через эти устройства. Данный результат был получен на плате, изображенной на рисунке 12.

Рис. 13. Температура печатной платы, изменяющаяся в зависимости от температуры окружающей среды

Почему так хорошо работают блоки из нескольких параллельных диодов

Сопротивление открытого канала MOSFET имеет резко положительный температурный коэффициент, который гарантирует, что более горячий MOSFET имеет большее сопротивление, чем более холодный, что приводит к протеканию через него немного повышенного тока. Поэтому для двух таких MOSFET устанавливается тепловой баланс, соответствующий токовому балансу. Такой тепловой баланс гарантируется правильной компоновкой печатной платы. Вообще, плотное размещение компонентов является обоснованным. Но если на плате есть другое устройство, которое рассеивает много тепла, то вызванный им тепловой градиент изменяет баланс распределения тока для параллельно соединенных идеальных диодов.

Читайте также:  Настройка прямого кабельного соединения

Разница между обычным корпусом и WPL – корпусом на базе подложки кристалла

Описанное выше исследование было проведено для корпуса WLP (Wafer Level Package) и является оптимальным для параллельного использования нескольких корпусов, поскольку очень малый размер, электрические характеристики этого типа интегральной упаковки и хорошая теплопроводность позволяют обеспечить достаточную термическую связь, чтобы сделать такой подход более удобным с практической точки зрения.

Из-за более высокого теплового сопротивления в корпусе типа SOT23 (обусловленного сопротивлением внутреннего соединения проводов) распределение тока и прямое падение напряжения (VFWD) –несколько хуже, чем в случае с корпусом WPL. Значительное влияние, даже при плотно размещенных корпусах типа SOT, оказывают и любые дополнительные перепады температур. Для идеальных диодов в таком корпусе рекомендуется понизить размеры до 75% от указанных в спецификации.

Заключение

Интегральный диод MAX40200 одинаково хорошо показал себя при параллельном соединении как двух, так и четырех ИС. И статические, и переходные характеристики показывают, что распределение тока является близким к поведению идеального диода, а переходные характеристики не ухудшаются. Несколько MAX40200 могут быть применены в тех случаях, когда требуется повышенный ток или пониженное падение напряжения.

3 Параллельное и последовательное соединение диодов

На практике нередко возникают ситуации, когда допускаемое среднее значение прямого тока диода оказывается недостаточным для обеспечения больших токов нагрузки; в этих случаях приходится применять параллельное соединение диодов. Однако при параллельном включении диодов за несовпадения их ВАХ токи в диодах будут неодинаковыми (рисунок 3.1, а). Для выравнивания токов при параллельном включении диодов в маломощных выпрямителях последовательно с ними устанавливаются резисторы с оди­наковыми сопротивлениями, включение которых позволяет уменьшить разность токов в диодах (рисунок 3.1, а, б). Однако эти резисторы уменьшают КПД схемы, и поэтому приме­нять их в мощных выпрямителях не рекомендуется.

Если диоды включаются параллельно без уравнитель­ных сопротивлений, то необходимо применить заведомо уве­личенное число диодов, тем самым уменьшить ток в каж­дом из них, а значит, исключить опасность перегрузки.

Рисунок 3.1 – Параллельное и последовательное соединения диодов

В мощных выпрямителях вместо резисторов последова­тельно с каждым диодом включают специальные токовыравнивающие реакторы (дроссели с сердечниками L1, L2). На этих дросселях (рисунок 3.1, в) при протекании тока созда­ется противо – ЭДС, пропорциональная этому току, что и при­водит к выравниванию токов дросселей, а значит, и диодов.

Диоды одного типа можно соединить последовательно для увеличения обратного допустимого напряжения. Одна­ко из-за несовпадения обратных ветвей ВАХ обратные напряжения распределятся между диодами неравномерно. Для выравнивания обратных напряжений диоды малой и сред­ней мощности необходимо шунтировать высокоомными резисторами. Если диоды включаются последовательно без шунтиру­ющих резисторов, то необходимо заведомо увеличить число диодов при этом обратное напряжение на каждом из них снижается (не менее чем на 25 %) и исключается опасность перенапряжений.

В выпрямителях большой мощности этот способ выравнивания непригоден из-за значительных потерь в шунтирующих резисторах. Поэтому в этих случаях применяются шунтирующие RС – цепочки (рисунок 3.1, д), причем сопротивление шунтирующих резисторов равно 500 – 2000 Ом (меньше значение соответствует более мощным диодам); включение конденсаторов позволяет снизить коммутационные перенапряжения. Иногда в качестве реактивных делителей включаются только шунтирующие конденсаторы.

Поскольку германиевые и кремниевые диоды чувствительны к токовым перегрузкам и перенапряжениям, то необходимо принимать специальные меры по защите этих диодов и всей системы электропитания. Кремниевые диоды с лавинными характеристиками выдерживают кратковременные перенапряжения, что упрощает их защиту.

4 Однофазная однополупериодная схема выпрямления

Однофазная однополупериодная схема выпрямления с активной нагрузкой является наиболее простой из всех выпрямительных схем (рисунок 4.1, а).

На рисунке 4.1,б представлены графики напряжений и токов в схеме. По оси абсцисс этих графиков отложен фазовый угол t, где — круговая частота питающего сетевого напряжения. Вместо величиныt на графиках может быть отложено текущее время t.

Ha данной схеме (рисунок 4.1, а) и в нижеследующих схемах выпрямления вентильные элементы представим обобщенно в виде диодов (VD).

Рисунок 4.1 – Однофазная однополупериодная схема выпрямления (а) и диа­граммы напряжений и токов в схеме (б)

Известно, что условием прохождения тока через вентиль (выпрямительный диод) является наличие на его аноде положительного потенциала по отношению к катоду. Допустим, что положительный потенциал на аноде VD в данной схеме появляется при положительной полуволне напряжения (потенциал точки а схемы положителен, а точки б – отрицателен), следовательно, в первую половину периода диод открывается и по цепи последовательно соединенных обмотки трансформатора, диода и нагрузки протекают равные токи iVD=i=i2. Во вторую половину периода точка а имеет отрицательный потенциал, следовательно диод закрывается и ток в цепи отсутствует.

Таким образом, ток через диод и нагрузку протекает только в течение одного полупериода, поэтому схема назы­вается однополупериодной.

Поскольку в идеализированной схеме выпрямления в трансформаторе и вентиле (диоде) потерь нет, то в пер­вом полупериоде все напряжение вторичной обмотки транс­форматора u2 оказывается приложенным к нагрузке RH, и поэтому график выпрямленного напряжения u повторя­ет положительную полусинусоиду графика напряжения u2 (рисунок 4.1, б).

Графики токов, протекающих по выпрямительному дио­ду VD, нагрузке RH, вторичной обмотке трансформатора, будут одинаковы, т.е. iVD=i=i2; ординаты графика этих токов в данной (идеализированной) схеме определяются со­отношением u/RH.

Мгновенное значение тока в первичной обмотке трансформатора определяется выражением

где n21 = U2/U1, а I — постоянная составляющая выпрямленного тока i.

Ток первичной обмотки определяется переменным напряжением сети u и не может содержать постоянной составляющей. Поэтому значение постоянной составляющей Iо вычитается из мгновенного значения i тока вторичной обмотки. Таким образом, разность (i2 – Iо), измененная в n21 раз, будет представлять собой график тока первичной обмотки i1 (n21 в данном случае для простоты принят равным единице).

Во время второго полупериода напряжения u2 диод закрыт а, следовательно, все напряжение вторичной обмотки трансформатора u2 оказывается приложенным к последовательно соединенным нагрузке RН и диоду VD. Поскольку обратное сопротивление диода намного больше сопротивления нагрузки RН, то с достаточной для практики точностью сопротивлением нагрузки в данном случае можно пренебречь, т. е. можно считать, что во время второго полупериода к зажимам диода в обратном направлении приложено напряжение uобр, график которого повторяет отрицательную полусинусоиду напряжения вторичной обмотки трансформатора u2 (рисунок 4.1,б).

В рассматриваемой схеме постоянная составляющая выпрямленного тока Iо, протекая по вторичной обмотке трансформатора, создает вынужденное подмагничивание его магнитопровода.

Основным преимуществом однополупериодной схемы является простота.

К недостаткам схемы относятся:

1) большой коэффициент пульсации выпрямленного напряжения КП01

2) большие масса и объем трансформатора (вследствие плохого использования обмоток и вынужденного подмагничивания магнитопровода трансформатора).

Вследствие указанных недостатков однофазная однополупериодная схема при работе на активную нагрузку практического применения не нашла.

Параллельное соединение выпрямителей

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.

Выпрямители могут быть классифицированы по ряду признаков: по схеме выпрямления – однополупериодные, двухполупериодные, мостовые, с удвоением (умножением) напряжения, многофазные и др.

По типу выпрямительного элемента – ламповые (кенотронные), полупроводниковые, газотронные и др.

По величине выпрямленного напряжения – низкого напряжения и высокого.

По назначению –для питания анодных цепей, цепей экранирующих сеток, цепей управляющих сеток, коллекторных цепей транзисторов, для зарядки аккумуляторов и др.

Основные характеристики выпрямителей:

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.

Читайте также:  Как сделать мигающий светодиод на авто?

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 (p0 %) 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 k с = 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, применяемые для однофазной бытовой сети выполняются по 4 основным схемам: однополупериодной, двухполупериодной с нулевой точкой (или просто- двухполупериодной), двухполупериодной мостовой(или просто –мостовой, реже называется как “схема Герца”), 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. Основные показатели, характеризующие схемы выпрямителей могут быть разбиты на 3 группы:

Относящиеся ко всему выпрямителю в целом: U0 -напряжение постоянного тока до фильтра, I0 – среднее значение выпрямленного тока, p0 – коэффициент пульсаций на входе фильтра.

Определяющие выбор выпрямительного элемента (вентиля): Uобр – обратное напряжение (напряжение на выпрямительном элементе (вентиле) в непроводящую часть периода), Iмакс – максимальный ток проходящий через выпрямительный элемент (вентиль) в проводящую часть периода.

Определяющие выбор трансформатора: U2 – действующее значение напряжения на вторичной обмотке трансформатора, I2 – действующее значение тока во вторичной обмотке трансформатора, Pтр – расчетная мощность трансформатора.

Основные характеристики различных схем выпрямления.

Сравнение схем выпрямления и ориентировочный расчет выпрямителя можно сделать, используя данные из таблицы.

Параллельное и последовательное соединение проводников в электрической цепи

При монтаже электрических цепей в электротехнике применяют последовательное и параллельное соединение проводников. От выбранного способа соединения источников и потребителей в значительной мере зависят рабочие параметры подключенного оборудования. Поэтому особенности обоих методов построения схемы обязательно должны учитываться при проектировании электроцепей.

Что такое параллельное соединение проводников

При данном способе в составе схемы в крайних точках соединяются начала и концы всех нагрузок, подключенных к источнику электротока. Сами же нагрузки размещаются параллельно по отношению друг к другу. Количество подключенных по такой схеме компонентов не ограничивается. Схема используется во многих сферах, позволяя решать разные задачи компоновки сетей. Например, часто задействуют параллельное соединение аккумуляторов.

При контрольном измерении значения вольтажа электроприборов вольтметр будет показывать одинаковые величины. Это означает, что электронапряжение на каждой нагрузке будет равняться общей величине вольтажа, действующего в электрической цепи.

Особенностью схемы параллельного соединения можно назвать разветвление цепи. В месте разветвления происходит деление заряда с направлением его частей по отдельной линии к соответствующему проводнику. Поэтому общая величина тока будет равна суммарному значению токов на каждой из включенных нагрузок.

Совокупное электрическое сопротивление всей электроцепи имеет меньшее абсолютное значение, по сравнению с каждым из приборов.

Что такое последовательное соединение проводников

Суть этого способа заключается в том, что компоненты цепи подключаются друг к другу поочередно. Первый проводник одним проводом подключается к источнику питания. Второй его провод соединяется со вторым проводником, от которого идет конец на третий проводник и т.д., пока цепь не будет замкнута. Классическим примером последовательной электроцепи можно назвать подключение лампочек в гирлянде.

Ток проходит по цепи приборов, состоящей из резисторов, ламп или других нагрузок, протекая через каждый включенный в электроцепь прибор. В собранной таким способом цепи отсутствует эффект деления и накопления заряда на разных ее участках. Соответственно, физическая величина ампеража будет на всех участках одинаковой.

Совокупное электросопротивление всех последовательно соединенных нагрузок, приборов и устройств любого типа равняется сумме их индивидуальных сопротивлений. Таким образом, его значение прямо зависит от количества подключенных приборов и их параметров.

Аналогично рассчитывается и совокупный вольтаж. Он равняется сумме напряжений, действующих на каждом отдельном электроприборе.

Разница между последовательным и параллельным соединением, преимущества и недостатки

Принципиальные отличия между последовательным и параллельным соединение проводников по ключевым электротехническим параметрам приведены в таблице:

Параметр/тип соединенияПоследовательноеПараллельное
ЭлектросопротивлениеРавняется сумме электросопротивлений всех электропотребителей.Меньше значения электросопротивления каждого отдельного из подключенных электроприборов.
НапряжениеРавняется совокупному вольтажу всех электропотребителей.Одинаковая величина на всех участках электроцепи.
Сила токаОдинаковая величина на всех участках электроцепи.Равняется совокупному значению токов на каждом из приборов.

Плюсы и минусы последовательного соединения

Основными преимуществам электроцепей из последовательно соединенных приборов являются их следующие особенности:

  • простота проектирования и построения схемы;
  • низкая стоимость комплектации;
  • возможность подключения приборов, рассчитанных на меньшее рабочее напряжение, по сравнению с номинальным напряжением сети;
  • выполнение функции регулирования тока – обеспечивает равномерные нагрузки на все приборы.

Однако у этого способа компоновки электросхемы есть и серьезные недостатки. Главным из них является ненадежность цепи из последовательно соединенных проводников. При выходе из строя любого из подключенных приборов, происходит отключение всей цепи.

Кроме того, минусом является снижение напряжения при увеличении количества подключенных потребителей. Примером может служить последовательное соединение нескольких ламп. Чем больше осветительных приборов подключено таким способом к источнику электропитания, тем менее яркий свет они будут давать.

Плюсы и минусы параллельного соединения

При использовании параллельного соединения проводников обеспечиваются такой набор преимуществ:

  • стабильность напряжения на электроприборах, вне зависимости от их числа;
  • возможность включения или отключения отдельных участков в нужный момент без нарушения работы всей электроцепи;
  • надежность – при выходе одного или нескольких компонентов из строя сама электроцепь продолжает сохранять работоспособность.

Недостатком является более сложный расчет и сложная схема, использование которой повышает стоимость комплектации электросети.

Закон Ома для участка цепи

Одним из ключевых электротехнических законов можно назвать закон Ома для участка цепи. Именно этим законом объясняются отличия, которые существуют для параллельного и последовательного соединения проводников.

Формулируется он таким образом:

Записывается он следующей формулой:

I = U/R, где

I – сила тока, (А);

U – вольтаж, (В);

R – электросопротивление, (Ом).

Смешанное соединение проводников в электрической цепи

На практике сборку электроцепей, как правило, проводят таким метод, который предусматривает смешанное соединение проводников. Это комбинированное решение, которое сочетает оба способа. Обычно для монтажа основной сети используют параллель, а отдельные потребители при необходимости объединяют в последовательную сеть.

При расчете и сборке смешанных соединений сопротивлений обязательно должны учитываться особенности, преимущества и недостатки обоих методов подключения. В ходе проектирования, схему целесообразно разбить на отдельные части и выполнить расчет в по физическим законам, которые справедливы для последовательного и параллельного соединения. После этого, составные части объединяют в единую схему.

Как соединить вольтметр и амперметр в цепь

К числу основных электротехнических параметров относятся сила тока и вольтаж. Для контроля этих величин используют приборы – амперметры и вольтметры. Требования по подключению этих приборов в цепь определяются, исходя из законов, которые действуют для последовательного и параллельного соединения.

Для измерения величины тока производится включение амперметра в цепь строго последовательно с рабочей нагрузкой. Важно, чтобы сопротивление самого прибора было минимальным, чтобы не допустить его влияние на работу электрооборудования. Если амперметр подключить параллельно, это приведет к выходу амперметра из строя.

Для измерения напряжения вольтметр в цепь подключается строго параллельно источнику или приемнику тока. Сам измерительный прибор должен иметь довольно высокое собственное сопротивление. Это требуется, чтобы при измерении можно было пренебречь величиной тока, который отбирается через вольтметр.

Применение параллельного и последовательного соединения в электротехнике

Параллельное соединение активно применяется для монтажа проводки и цепей в различных видах электрического оборудования и приборов. Оно дает возможность подключить электрические устройства к электросети независимо друг от друга.

Последовательное соединение используют, когда нужно обеспечить включение и отключение определенных приборов. Именно по этой схеме подсоединяются выключатели и тумблеры. Также схема хорошо подходит в тех случаях, когда необходимо сформировать электроцепь из потребителей с малым значением номинального напряжения.

При параллельном соединении конденсаторов совокупная емкость равняется сумме емкостей каждого полупроводника. В случае применения последовательного соединения конденсаторов, результирующая емкость уменьшается вдвое. Это свойство также используется при формировании электроцепей.

Последовательное соединение проводников: видео