Схемы выпрямителей с удвоением напряжения

Для транспортировки наиболее выгодно использовать переменный ток, но большинство оборудования работает на постоянном. Провести соответствующее его преобразование помогают выпрямители. Существуют различные схемы работы таких устройств. Но в некоторых случаях предпочтительнее использовать выпрямитель, удваивающий напряжение. Он позволит получить нужные выходные параметры даже при наличии трансформатора с небольшим напряжением на вторичной обмотке.

Схема выпрямителя

Выпрямитель с удвоением напряжения носит название выпрямителя Латура-Делона-Гренашера. Принцип работы устройства построен на поочередном заряде двух конденсаторов, соответственно, на положительном или отрицательном полупериоде. Схема выглядит так:

Работа устройства осуществляется следующим образом: на вход поступает синусоидальный сигнал, который имеет отрицательные и положительные периоды. Сигнал проходит через трансформатор. Напряжение при этом корректируется до нужной величины, но остаётся переменным. На вход может поступать относительно небольшое питание, но на выходе оно становится вдвое больше.

Во время положительного полупериода ток проходит через верхний диод VD1 и не проходит через нижний VD2. При этом заряжается конденсатор C1. При пиковом значении накопившегося заряда, конденсатор начинает отдавать его. Далее ток уменьшается до нуля и начинается отрицательный полупериод.

Теперь верхний диод VD1 закрывается, а нижний VD2 открывается. По мере нарастания отрицательного импульса конденсатор C2 заряжается. После достижения пика ток начинает уменьшаться. В это время с обкладок конденсатора стекает заряд, который снижает пульсацию напряжения.

Оба конденсатора расположены последовательно. Как известно, в этом случае напряжения на них складываются. Нужно принять во внимание, что разрядка происходит не только на соответствующем полупериоде, но и при смене знака периода. Это приводит к тому, что на обкладках каждого конденсатора присутствует заряд примерно равный среднему значению выходного напряжения.

Представленную выше схему применяют в тех случаях, когда необходимо получить напряжение, увеличенное вдвое по сравнению с выходным напряжением трансформатора. Необходимость в этом возникает относительно редко, поэтому схема используется нечасто. Чтобы увеличить напряжение, можно воспользоваться альтернативным способом — увеличить вдвое количество витков вторичной обмотки трансформатора. Однако такой вариант более сложен и трудозатратен по сравнению с использованием приведённой выше схемы выпрямителя, что делает её применение более выгодным.

Поэтому, если имеются проблемы с наматыванием вторичной обмотки или используется трансформатор с недостаточным для работы напряжением, то будет полезно применение удвоителя.

Характеристики выпрямителя

Чтобы объективно судить о качестве работы выпрямителя, нужно учитывать его характеристики. Основными являются:

• Номинальное значение получаемого на выходе тока. Он является результатом выпрямления, но его график не имеет идеально ровной формы. В качестве приемлемого значения рассматривается средняя величина выходного тока.
• Номинальное напряжение, которое представляет собой среднее значение выходной величины.
• Значение питающего напряжения и частота тока. В большинстве случаев речь идёт о напряжении 220 В и частоте 50 Гц.
• Пульсация или отклонение выходной величины от фиксированного значения. Этот показатель характеризует качество работы выпрямителя.
• Частота пульсаций на выходе рассматриваемой схемы. В расчёт берётся наиболее резко выраженная частота изменений. У выпрямителя с удвоением эта характеристика вдвое больше, чем у питающего напряжения.
• Коэффициент пульсаций. Его можно рассматривать как показатель выпрямления выходного сигнала. Он равен отношению пиковой величины пульсации и среднего значения напряжения или электротока.
• Коэффициент фильтрации представляет собой соотношение коэффициентов пульсации на входе и на выходе фильтра.

Выпрямители могут быть построены по разным схемам. Приведённые здесь характеристики позволяют сравнивать их эффективность.

Сильные и слабые стороны устройства

Плюсом рассматриваемой схемы можно считать возможность использования трансформатора с меньшим количеством витков на вторичной обмотке. Недостатком является наличие относительно большого тока на выпрямителях.

Если сравнивать с двухполупериодными устройствами, то уровень пульсаций при использовании рассматриваемой схемы будет выше. Отмечены случаи, когда происходило повреждение электролитического конденсатора из-за внезапного пробоя одного или обоих диодов. Для предотвращения такой ситуации они должны быть выбраны в соответствии с параметрами работы выпрямителя.

Варианты использования схемы

При использовании разных схем принцип работы выпрямителя не меняется, но отличается расположение клемм для снятия постоянного напряжения.

Первая из рассмотренных схем позволяет получить выпрямленные напряжения одной полярности, а вторая — двуполярные с общей точкой.

Особенности использования выпрямителей

При работе с нагрузкой иногда возникает ситуация, когда у потребителя постоянного тока происходит короткое замыкание. В этом случае через выпрямитель проходит большой ток. Чтобы этого не произошло, в него можно встроить предохранитель.

Если при создании схемы отсутствуют конденсаторы необходимой ёмкости, можно использовать параллельное соединение двух или большего количества. Нужно, чтобы рабочее напряжение у них было не меньше требуемого.

Дальнейшее развитие схемы выпрямителя

Удвоитель можно при помощи добавки конденсатора и диода заставить давать напряжение втрое больше номинального. В таком случае применяется следующая схема:

Таким образом можно каскадировать первоначальное питание и получать выпрямители, которые можно считать умножителями тока. Далее показан пример такой схемы.

С помощью многокаскадного умножителя можно получать различное выходное постоянное напряжение в зависимости от того, к каким выходам будет присоединена нагрузка. Здесь все применяемые конденсаторы, за исключением C1, заряжаются до удвоенной величины напряжения, а этот конденсатор — до одинарной. Максимальный ток, проходящий через диоды в данной схеме, будет не больше, чем в 2.1 раза превосходить ток нагрузки.

Использование рассматриваемого типа выпрямителей позволяет получить существенно более высокое напряжение по сравнению с питающим. Это увеличение производится за счет зарядки разрядки конденсаторов, как на положительных, так и на отрицательных полупериодах. Благодаря значительной емкости, они накапливают заряд, который отдают практически одновременно.

Схемы удвоителей наиболее широкое распространение получили в рентгенотехнических установках. В радиотехнике их в основном используют для питания аппаратуры малой мощности, которая потребляет ток не более 70 мА.

Видео по теме