Сколько нужно диодов для уравнения двухфазной сети?

Для уравнения двухфазной сети может использоваться два или четыре диода. Это часто применяется в схемах выпрямителей. В этой статье разберем разницу между схемами выпрямления переменного тока на двух и на четырех диодах.

Это краткий ответ на вопрос "Сколько нужно диодов для уравнения двухфазной сети?" в рамках вопросов для электромехаников и электрокадетов при прохождении собеседований в крюингах.

Рассмотрим классическую схему двухфазного выпрямителя на двух диодах:

Схема двухфазного выпрямителя на двух диодах

Компоненты:

1. Трансформатор с двумя вторичными обмотками.
2. Два диода.

Работа схемы:

1. Первый полупериод: Ток проходит через первую вторичную обмотку и первый диод (D1), выпрямляя одну полуволну.
2. Второй полупериод: Ток проходит через вторую вторичную обмотку и второй диод (D2), выпрямляя другую полуволну.

Схема двухфазного однотактного выпрямителя тока

Эта схема представляет собой двухполупериодный однофазный выпрямитель с центровым отводом.

1. Источник переменного тока U1: Слева на схеме изображен источник переменного тока, который подает переменное напряжение на первичную обмотку трансформатора.

2. Трансформатор с центральным отводом: Вторая обмотка трансформатора имеет центральный отвод, что позволяет получать два одинаковых напряжения U2 на концах обмоток относительно центрального отвода.

3. Диоды VD1 и VD2: Эти диоды работают как выпрямительные элементы, пропускающие ток только в одном направлении.

4. Резистор нагрузки Rн : Это резистор, на котором падает выпрямленное напряжение Ud.

Рабочий цикл выпрямителя:

Положительный полупериод:

• В течение положительного полупериода переменного напряжения на первичной обмотке, верхний конец вторичной обмотки будет иметь положительное напряжение, а нижний конец — отрицательное.
• Диод VD1 будет проводящим (открыт), так как на его аноде будет положительное напряжение относительно катода.
• Ток будет течь через диод VD1​, резистор Rн и возвращаться через центральный отвод вторичной обмотки трансформатора.
• Диод VD2 будет закрыт в этот момент, так как на его катоде будет положительное напряжение относительно анода.

Отрицательный полупериод:

• В течение отрицательного полупериода переменного напряжения на первичной обмотке, верхний конец вторичной обмотки будет иметь отрицательное напряжение, а нижний конец — положительное.
• Диод VD2 будет проводящим (открыт), так как на его аноде будет положительное напряжение относительно катода.
• Ток будет течь через диод VD2​, резистор Rн и возвращаться через центральный отвод вторичной обмотки трансформатора.
• Диод VD1 будет закрыт в этот момент, так как на его катоде будет положительное напряжение относительно анода.

Таким образом, на резисторе Rн будет наблюдаться пульсирующее выпрямленное напряжение Ud за счет чередования проводящих состояний диодов VD1 и VD2 в зависимости от полярности переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

В результате, ток через резистор Rн всегда течет в одном направлении, что и требуется для выпрямления переменного тока в постоянный.

Объяснение:

• AC Input: Входное переменное напряжение.
• D1 и D2: Два диода, которые пропускают ток только в одном направлении, тем самым превращая переменное напряжение в пульсирующее постоянное напряжение.
• DC Output: Выходное пульсирующее постоянное напряжение.

Принцип работы:

• В первом полупериоде (положительном) переменного напряжения ток проходит через диод D1, заряжая нагрузку.
• Во втором полупериоде (отрицательном) переменного напряжения ток проходит через диод D2, также заряжая нагрузку.

Оба диода работают поочередно, обеспечивая непрерывное пульсирующее напряжение на выходе.

Для уравнения двухфазной сети, таким образом, нужно два диода, каждый из которых используется для выпрямления одной из фаз переменного напряжения.

Двухфазный выпрямитель на четырех диодах

Однако схема с четырьмя диодами (мостовой выпрямитель) обеспечивает лучшее выпрямление и более стабильное выходное напряжение. Рассмотрим схему двухфазного выпрямителя на четырех диодах:

Двухфазный мостовой выпрямитель

Эта схема представляет собой мостовой выпрямитель, который используется для выпрямления переменного тока в постоянный.

Компоненты схемы:

1. Источник переменного тока U1: Слева на схеме находится источник переменного тока, который подает переменное напряжение на первичную обмотку трансформатора.
2. Трансформатор: Трансформатор изменяет уровень напряжения, если это необходимо, и подает переменное напряжение U2 на вторичную обмотку.
3. Диоды VD1, VD2, VD3, VD4​: Эти четыре диода образуют мостовой выпрямитель, который позволяет пропускать ток в одном направлении.
4. Резистор нагрузки Rн: Это элемент, на котором будет наблюдаться выпрямленное напряжение Ud.

Принцип работы мостового выпрямителя:

• Положительный полупериод:

• В течение положительного полупериода переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, верхний конец вторичной обмотки будет иметь положительное напряжение, а нижний конец — отрицательное.
• Диоды VD1 и VD4 будут открыты (проводят ток), так как на их анодах будет положительное напряжение относительно катодов.
• Ток будет течь от верхнего конца вторичной обмотки через диод VD1, через резистор Rн​, затем через диод VD4 и возвращаться к нижнему концу вторичной обмотки.

Отрицательный полупериод:

• В течение отрицательного полупериода переменного напряжения на вторичной обмотке трансформатора, верхний конец вторичной обмотки будет иметь отрицательное напряжение, а нижний конец — положительное.
• Диоды VD2 и VD3 будут открыты (проводят ток), так как на их анодах будет положительное напряжение относительно катодов.
• Ток будет течь от нижнего конца вторичной обмотки через диод VD2, через резистор Rн, затем через диод VD3 и возвращаться к верхнему концу вторичной обмотки.

Выходное напряжение:

• Независимо от полярности входного переменного напряжения, ток через резистор нагрузки Rн всегда будет течь в одном направлении.
• В результате, на Rн будет наблюдаться пульсирующее выпрямленное напряжение Ud, которое можно дополнительно сгладить с помощью фильтров, чтобы получить более стабильное постоянное напряжение.

Для сглаживания пульсирующего напряжения, которое выходит из выпрямителя, можно использовать несколько методов и компонентов. Основные из них включают конденсаторы, дроссели и интегрированные стабилизаторы напряжения. Рассмотрим каждый из них подробнее:

1. Конденсаторы

Конденсаторы являются самым простым и распространенным способом сглаживания пульсирующего напряжения. Они накапливают энергию во время пиковых значений напряжения и отдают её, когда напряжение падает, что помогает выравнивать выходное напряжение.

• Фильтр на основе конденсатора: Самый простой фильтр включает один конденсатор, подключенный параллельно к выходу выпрямителя и нагрузке.
• Сглаживающий конденсатор: Обычно используется электролитический конденсатор большой емкости, чтобы обеспечить достаточное сглаживание.

2. Дроссели

Дроссели, или индуктивности, могут использоваться вместе с конденсаторами для создания фильтров типа LC или π-образных фильтров.

• LC-фильтр: Состоит из индуктора (L) и конденсатора (C), соединенных последовательно или параллельно. Индуктор сглаживает пульсации тока, а конденсатор – напряжение.
• π-фильтр: Состоит из двух конденсаторов и одного дросселя, образуя форму π. Это более эффективный способ фильтрации по сравнению с простыми LC-фильтрами.

3. Стабилизаторы напряжения

Стабилизаторы напряжения обеспечивают постоянное выходное напряжение независимо от колебаний входного напряжения и нагрузки.

• Линейные стабилизаторы: Такие как серии 78XX (например, 7805 для 5V, 7812 для 12V), обеспечивают стабильное выходное напряжение, но имеют относительно низкую эффективность.
• Импульсные стабилизаторы (DC-DC конвертеры): Более эффективные, чем линейные стабилизаторы, так как они преобразуют напряжение с меньшими потерями энергии.

Примерная схема сглаживания:

1. Сглаживающий конденсатор: Подключается сразу после выпрямителя. Например, электролитический конденсатор емкостью 1000 мкФ.
2. LC-фильтр: Добавляется индуктор, например, с индуктивностью 10 мГн, последовательно с конденсатором на 100 мкФ.
3. Стабилизатор напряжения: Линейный стабилизатор 7805 для получения стабильных 5V на выходе.

Комбинирование этих методов обеспечивает эффективное сглаживание выходного напряжения и его стабилизацию для надежного питания различных электронных устройств.

Мостовой выпрямитель эффективно выпрямляет переменный ток в постоянный, используя чередование проводимости диодов для каждой полярности полуволны входного напряжения.

Принцип работы:

1. Диоды D1 и D2: Эти диоды пропускают ток во время положительного полупериода первой фазы (AC1) и во время отрицательного полупериода второй фазы (AC2).
2. Диоды D3 и D4: Эти диоды пропускают ток во время положительного полупериода второй фазы (AC2) и во время отрицательного полупериода первой фазы (AC1).

Особенности:

• Выходное напряжение: Этот тип схемы обеспечивает более гладкое и постоянное выходное напряжение по сравнению с двухфазным выпрямителем на двух диодах, поскольку использует обе фазы и позволяет уменьшить пульсации выходного сигнала.
• Распределение тока: Использование четырех диодов позволяет равномерно распределять ток и уменьшает тепловые потери, что улучшает общую эффективность схемы.

Четыре диода используются в схемах как для двухфазных, так и для трехфазных систем, где обеспечивается более эффективное выпрямление и стабильность выходного напряжения. Это особенно важно в приложениях, требующих высококачественного постоянного тока, таких как источники питания, промышленные устройства и электроприводы.

Что лучше использовать два диода или четыре диода для уравнения двухфазной сети?

Использование двух или четырех диодов в выпрямителе зависит от конфигурации схемы и требований к выпрямленному напряжению и току. Рассмотрим основные схемы с двумя и четырьмя диодами:

Схема с двумя диодами (Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом)

Эта схема требует трансформатора с центральным отводом на вторичной обмотке.

Преимущества:

• Меньшее количество диодов: Используется только два диода.
• Низкое падение напряжения: В каждом полупериоде напряжение падает только на один диод.

Недостатки:

• Требуется трансформатор с центральным отводом: Не все трансформаторы имеют центральный отвод, что ограничивает выбор.
• Эффективность использования обмотки: Обмотка используется не полностью в каждый момент времени, что может снизить эффективность трансформатора.

Схема с четырьмя диодами (Мостовой выпрямитель)

Эта схема не требует трансформатора с центральным отводом и использует все четыре диода.

Преимущества:

• Полное использование обмотки: Вторичная обмотка трансформатора используется полностью в каждый момент времени, что повышает эффективность.
• Не требуется центральный отвод: Можно использовать обычный трансформатор без центрального отвода.

Недостатки:

• Большее количество диодов: Используются четыре диода.
• Падение напряжения на двух диодах: В каждом полупериоде напряжение падает на два диода, что может привести к большим потерям, особенно при низком напряжении.

Сравнение

1. Эффективность использования трансформатора:

   • Мостовой выпрямитель (4 диода) более эффективен в использовании трансформатора, так как обмотка используется полностью в каждый момент времени.

2. Сложность и стоимость:

   • Схема с двумя диодами проще и дешевле в реализации, если имеется трансформатор с центральным отводом.

3. Падение напряжения:

   • В схеме с двумя диодами падение напряжения происходит на одном диоде в каждом полупериоде.
   • В мостовой схеме падение напряжения происходит на двух диодах в каждом полупериоде, что увеличивает потери напряжения.

Выбор схемы

• Если у вас есть трансформатор с центральным отводом и вам важно минимизировать падение напряжения, схема с двумя диодами может быть предпочтительнее.
• Если вам нужен более гибкий подход, не требующий специального трансформатора, и вы хотите максимально использовать вторичную обмотку трансформатора, мостовой выпрямитель с четырьмя диодами будет лучшим выбором.

В итоге, выбор между двумя и четырьмя диодами зависит от конкретных условий и требований схемы.