Однофазный двухполупериодный выпрямитель с умножением напряжения

Выпрямители с умножением напряжения позволяют получить на нагрузке напряжение, кратное (в целое число раз больше) напряжению вторичной обмотки трансформатора. Такие выпрямители применяются при отсутствии унифицированных трансформаторов с необходимым коэффициентом трансформации или с требуемой электрической прочностью. Чаще применяются схемы с умножением напряжения, представляющие собой комбинацию двух однофазных выпрямителей с ёмкостным фильтром, включенных между собой последовательно и подключенных параллельно нагрузке.

Особенность таких выпрямителей заключается в получении сравнительно высокого напряжения при малом токе нагрузки.

Кратность умножения напряжения обычно колеблется от 2 до 8 при выпрямленном напряжении в диапазоне сотни-тысячи вольт и от 50 до 100 при выпрямленном напряжении в десятки киловольт. Многофазные выпрямители с умножением напряжения применяются реже.

Схемы выпрямителей с умножением напряжения подразделяют:

• по числу фаз выпрямленного тока: однофазные и многофазные;
• по схемному решению: симметричные и несимметричные.

Рассмотрим симметричную мостовую схему удвоения напряжения (рисунок 1).

Рисунок 1 - Схема электрическая принципиальная однофазного симметричного мостового выпрямителя с удвоением напряжения

Принцип действия основных схем выпрямления с умножением напряжения сводится к тому, что на нагрузку разряжаются один или несколько последовательно включенных конденсаторов, каждый из которых заряжается через выпрямитель до сравнительно небольших напряжений. Мостовая схема образована двумя вентилями и двумя конденсаторами. В одну диагональ моста включена вторичная обмотка трансформатора Т, в другую – нагрузка R_н.

В положительный полупериод напряжения U₂ на вторичной обмотке конденсатор С1 заряжается током вентиля VD1. В отрицательный полупериод заряжается конденсатор С2 током вентиля VD2. Если не учитывать падение напряжения на внутреннем сопротивлении выпрямителя, то каждый конденсатор будет заряжаться до амплитудного значения напряжения вторичной обмотки (рисунок 2).

Рисунок 2 - Работа однофазного симметричного мостового выпрямителя с удвоением напряжения

Нагрузка включена параллельно конденсаторам С1 и С2, соединенным между собой последовательно, и выходное напряжение равно сумме напряжений на конденсаторах:

U₀ = U_m = U_С1 + U_С2 ≈ 2U_2m.

Обратное напряжение, прикладываемое к диоду U_обр = 2U_m.

Число пульсаций за период выпрямленного напряжения p = 2 (m = 2), а частота пульсаций f_n = 2f_с.

Коэффициент пульсации выпрямленного напряжения К_n = 0,667.

Достоинства схемы:

• при одном и том же напряжении вторичной обмотки выходное напряжение вдвое больше, чем в обычном однофазном мостовом выпрямителе, и в 4 раза больше, чем в двухполупериодном со средней точкой трансформатора;
• достаточно высокое использование обмоток трансфор¬матора (как в однофазном мостовом выпрямителе);
• наличие двух вентилей вместо четырех (по сравнению с однофазной мостовой схемой).

Недостатки схемы:

• большее внутреннее сопротивление за счет последовательного включения вентилей (по сравнению с двухполупериодной схемой со средней точкой трансформатора);
• малый ток нагрузки;
• необходимость двух накальных обмоток трансформатора в случае применения накаливаемых вентилей.

Рассмотрим схему универсального симметричного выпрямителя с умножением напряжения в n раз (рисунок 3)

Рисунок 3 - Схема электрическая принципиальная универсального выпрямителя с умножением напряжения

Принцип работы схемы состоит в следующем. В первый полупериод, когда плюс будет на зажиме б вторичной обмотки трансформатора Т, через диод VD1 заряжается конденсатор C1 до напряжения u_c1 = U_m2. Диод VD2 при этом закрыт.

В следующий полупериод положительным станет потенциал точки а. В этом случае напряжение вторичной обмотки трансформатора складывается с напряжением конденсатора C1 и конденсатор С2 заряжается до напряжения u_c2 = U_m2 + u_c1 через диод VD2. В следующий, третий полупериод, когда потенциал точки б будет снова положительным, открывается диод VD3 и конденсатор С3 зарядится до напряжения u_c2 = U_m2 + u_c2 ≈ 3U_m2.

При этом одновременно подзарядится конденсатор С1. Из вышеуказанного следует, что конденсатор Сn зарядится до напряжения u_сп ≈ nU_m2 через n полупериодов.

На нагрузке выпрямленное напряжение будет меньше, чем nU_m2, так как внешняя характеристика U_0ср = f (I_0ср) схемы с умножением напряжения имеет сильно cпадающий характер вследствие большого внутреннего сопротивления цепи диодов и конденсаторов. Для уменьшения сопротивления цепи применяют конденсаторы достаточно большой емкости.

На практике конденсаторы выбирают одинаковыми, а абсолютное значение ёмкости каждого конденсатора в микрофарадах рассчитывают при допустимом коэффициенте пульсаций К_п = 6 % по формуле:

где f_n – частота пульсаций выходного напряжения.

При необходимости уменьшить пульсации напряжения на нагрузке включают сглаживающий RС-фильтр. Схема умножения второго рода применяется чаще, так как здесь не нужны конденсаторы с высоким рабочим напряжением.

В несимметричных схемах умножения первого и второго рода один из выводов трансформатора непосредственно соединён с полюсом нагрузки, что позволяет осуществлять их заземление. Следует заметить, что при нечетном числе каскадов умножения в несимметричных схемах появляется постоянная составляющая тока во вторичной обмотке трансформатора, вызывающая вынужденное подмагничивание сердечника.

Достоинством симметричных схем является возможность получения вдвое большего напряжения при том же числе полупериодов установления напряжения.

Недостатком симметричных схем (по сравнению с несимметричными) является невозможность одновременного заземления вторичной обмотки трансформатора и потребителя.