Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой - это схема выпрямления переменного тока, в которой используется трансформатор с двумя вторичными обмотками или одной обмоткой с центральным выводом. Каждая половина вторичной обмотки соединена с диодом, а нагрузка подключена между общим выводом трансформатора и общими анодами диодов.
Принцип работы такого выпрямителя заключается в том, что в каждом полупериоде входного синусоидального напряжения один из диодов открывается, а другой закрывается, пропуская ток через нагрузку в одном направлении. Таким образом, на выходе получается двухполупериодное выпрямленное напряжение, имеющее частоту, в два раза большую, чем частота входного напряжения.
Если говорить об однофазных диодных выпрямителях в общем, то двухполупериодный выпрямитель со средней точкой позволяет получить меньшие потери на самих диодах, так как диодов здесь всего два.
К тому же, обычно, подобные выпрямители используются в низковольтных устройствах, где ток через диоды существенен. Следовательно и по данному аспекту двухполупериодная схема со средней точкой более выгодна, поскольку потери энергии на диодах пропорциональны квадрату средней величины протекающего через них тока.
И если учесть доступность и качество диодов Шоттки (с низким прямым падением напряжения), широко представленных на современном рынке, то выбор в пользу схемы со средней точкой очевиден.
А если речь заходит о двухтактных трансформаторных импульсных преобразователях (мостовых, полумостовых, push-pull), работающих на частотах сильно превышающих обычную сетевую, то здесь только и остается схема выпрямителя со средней точкой и никакая другая.
Однако в данной статье мы остановимся на рассмотрении расчета выпрямителя применительно к низкой сетевой частоте 50 Гц, где выпрямляемый ток является синусоидальным.
Прежде всего необходимо отметить, что в выпрямитель который строится по данной схеме, обязывает нас иметь трансформатор с двумя одинаковыми вторичными обмотками, либо с одной вторичной обмоткой, но имеющей вывод посередине (что по сути одно и то же).
Напряжение, получаемое поочередно с полуобмоток такого трансформатора, является фактически двухфазным относительно средней точки, которая выступает нулевой точкой при выпрямлении, поскольку здесь формируются две ЭДС, равные друг другу по величине, но противоположные по направлению. То есть напряжения на крайних выводах вторичной обмотки трансформатора, возникающие в каждый момент его работы, сдвинуты по фазе на 180 градусов.
Противоположные крайние выводы обмоток w21 и w22 подключаются к анодам диодов VD1 и VD2, при этом напряжения u21 и u22, прикладываемые к диодам, находятся в противофазе.
Поэтому диоды проводят ток по очереди - каждый в течение своего полупериода напряжения питания: в течение одного полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD1, и ток i21 течет через него, через нагрузку и через обмотку (полуобмотку) w21, при этом диод VD2 находится в обратносмещенном состоянии, он заперт, поэтому и ток через полуобмотку w22 не течет.
В течение следующего полупериода положительный потенциал имеет анод диода VD2, и ток i22 течет через него, через нагрузку и через обмотку (полуобмотку) w22, при этом диод VD1 находится в обратносмещенном состоянии, он заперт, поэтому и ток через полуобмотку w21 не течет.
Достигаемый результат заключается в том, что через нагрузку ток течет всегда в одном и том же направлении, то есть ток оказывается выпрямленным. И каждая из половин вторичной обмотки трансформатора получается нагружена лишь в течение одного полупериода из двух. Для трансформатора это означает, что в его магнитопроводе никогда не наступает подмагничивания, так как магнитодвижущие силы постоянных составляющих токов обмоток направлены встречно.
Обозначим действующее напряжение между средней точкой и дальним выводом любой из полуобмоток как U2. Тогда среднее выпрямленное напряжение Ud получается между средней точкой вторичной обмотки и точкой соединения катодов диодов. В этом случае среднее значение напряжения на нагрузке будет равно:
Видим, что среднее значение выпрямленного напряжения соотносится с действующим значением так же, как среднее значение тока соотносится с действующим значением тока при невыпрямленном синусоидальном напряжении.
Среднее значение тока нагрузки находится по формуле (где Rd – сопротивление нагрузки):
А поскольку ток через диоды течет поочередно, то теперь можно найти средний ток каждого диода и амплитуду тока для каждого диода. Выбирая диод для такого выпрямителя, важно обратить внимание на то, чтобы максимально допустимый ток диода был несколько больше найденного по данной формуле значения:
При проектировании двухполупериодного выпрямителя со средней точкой также важно не забывать о том, что обратное напряжение, прикладываемое к запертому диоду в то время когда другой диод проводит ток, достигает двойной амплитуды напряжения полуобмотки. Поэтому максимальное обратное напряжение для выбираемого диода всегда должно быть больше чем данная величина:
Когда выходное (выпрямленное) напряжение Ud является заданным, то действующее значение напряжения U2 на вторичной полуобмотке будет соотноситься с ним следующим образом (сравните с самой первой формулой):
Кроме того, проектируя выпрямитель и задавая среднее выходное напряжение Ud, которое должно быть получено на нагрузке, необходимо прибавить к нему прямое падение напряжения на диоде Uf (оно приводится в документации на диод). Умножив половину среднего тока нагрузки на значение прямого падения напряжения на диоде, получим величину мощности, которая неизбежно должна будет рассеиваться на каждом из двух диодов в форме тепла:
Выбирая диоды важно это учесть, оценить возможности корпуса диода, сможет ли он рассеять столько мощности и не выйти при этом из строя. При необходимости придется произвести дополнительные тепловые расчеты касательно подбора радиаторов, к которым будут прикреплены данные диоды.
Андрей Повный