Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой имеет существенный недостаток, заключающийся в том, что в схеме последовательно с нагрузкой постоянно включён только один диод. Такие выпрямители имеют высокий КПД и используются при низких выходных напряжениях (до 5 В).
При повышении выходного напряжения разница в КПД для различных схем выпрямителей уменьшается и определяющим фактором становится меньшее обратное напряжение, прикладываемое к запертым диодам схемы. Поэтому при больших уровнях выходного напряжения обычно используют выпрямитель, выполненный по мостовой схеме (рисунок 1).
Рисунок 1 - Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель
Следует отметить, что если мостовую схему выпрямителя использовать совместно с трансформатором со средней точкой и средний выход каждой пары диодов соединить со средней точкой входного источника через собственную нагрузку (рисунок 2), на выходе выпрямителя получим два равных, но обратных по знаку напряжения. Такая схема выпрямителя часто используется для питания устройств, построенных с применением операционных усилителей.
Рисунок 2 - Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель со средней точкой
Рассмотрим принцип действия мостового выпрямителя, схема электрическая принципиальная которого показана на рисунке 1, используя эпюры напряжений, поясняющие его работу (рисунок 3).
Рисунок 3 - Эпюры напряжений, поясняющие принцип работы однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя
В положительный полупериод напряжения U2, когда плюс на верхней клемме, а минус на нижней, диоды VD1 и VD4 открыты, a VD2 и VD3 закрыты. При этом ток нагрузки протекает по цепи: плюс, диод VD1, резистор нагрузки Rн, диод VD4, минус. В другой полупериод (отрицательный) диоды VD1 и VD4 закрыты, a VD2 и VD3 открыты и ток нагрузки протекает по цепи: плюс (нижняя клемма в данный полупериод), диод VD2, резистор нагрузки Rн, диод VD3, минус (верхняя клемма в данный полупериод). Таким образом, ток через нагрузку проходит в течение каждого полупериода в одном направлении.
Среднее и действующее значения токов, напряжений и коэффициент пульсации определяются теми же соотношениями, что и для однофазной двухполупериодной схемы со средней точкой.
Обратное максимальное напряжение на любом вентиле, как следует из схемы, показанной на рисунке 1, равно максимальному значению напряжения вторичной обмотки трансформатора. Коэффициент использования трансформатора Kuт = 0,82
Достоинства схемы в сравнении с однофазной двухполупериодной схемой со средней точкой:
- уменьшаются размеры и масса трансформатора, за счет повышения коэффициента использования трансформатора;
- не требуется специального вывода от средней точки вторичной обмотки трансформатора Kuт = 0,82 (для мостового выпрямителя) против Kuт = 0,67 для выпрямителя со средней точкой;
- напряжение на выводах вторичной обмотки и обратное напряжение на один выпрямительный элемент уменьшается в два раза.
Недостатки схемы:
- необходимость применения четырех выпрямительных элементов;
- последовательное включение двух работающих диодов (особенно высокоомных), приводящее к уменьшению выпрямляемого напряжения с одновременным увеличением тока в нагрузке (действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора в 2 раза больше действующего значения тока в схеме с нулевым выводом, что требует увеличения сечения провода вторичной обмотки на 20 %).
Рассмотренная схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя в основном применяется для выходных мощностей до 300 Вт.
При больших токах нагрузки применяется параллельное включение вентилей (рисунок 4 а, б). Однако из-за несовпадения ВАХ диодов токи в них распределяются неравномерно. Для выравнивания токов вентилей в маломощных выпрямителях последовательно с ними включают одинаковые по величине резисторы (рисунок 4 а), а в мощных применяют специальные токовыравнивающие реакторы (рисунок 4, б).
Токовыравнивающие реакторы в простейшем случае имеют две обмотки и общий магнитопровод. Под действием токов вентилей в обмотках наводится ЭДС, которая выравнивает токи диодов.
Рисунок 4 - Схемы включения маломощных вентилей: а) параллельная схема с последовательно включёнными резисторами; б) параллельная схема с токовыравнивающими реакторами; в) последовательная схема с шунтирующими резисторами; последовательная схема с реактивным делителем напряжения
Пример применения параллельного включения вентилей в выпрямителях источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) показан на рисунке 5.
Рисунок 5 - Фрагмент схемы электрической принципиальной блока вторичного электропитания РЭА с параллельным включением диодов
При больших обратных напряжениях в схемах выпрямления вентили включаются последовательно (рисунок 4 в, г).
По причине несовпадения обратных ветвей ВАХ диодов обратные напряжения на вентилях распределяются неравномерно, что может привести к пробою диодов. Для выравнивания напряжений в маломощных выпрямителях последовательно включенные вентили шунтируются резисторами (рисунок 4, в). Для выпрямителей большой мощности из-за больших потерь в резисторах применяют реактивные делители напряжения (рисунок 4, г)
Пример применения последовательного включения вентилей в выпрямителях источников вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) показан на рисунке 6.
Рисунок 6 - Фрагмент схемы электрической принципиальной блока вторичного электропитания РЭА с последовательным включением диодов