Руководство для начинающих по проектированию полноволнового выпрямителя на H-мосту

Преобразование энергии является неотъемлемой частью современной жизни, и, пожалуй, наиболее важным для практических целей в электронике является преобразование переменного тока в постоянный. Выпрямители - это основные схемы, используемые для преобразования переменного тока в постоянный, и они могут относиться к одной из следующих категорий:

• Полуволновой выпрямитель
• Двухполупериодный выпрямитель с центральным отводом
• Мостовой выпрямитель

Функциональность этих выпрямителей одинакова, т.е. преобразование переменного тока в постоянный, но каждый использует разную конфигурацию входа и они имеют разные выходы. Выпрямитель с центральным отводом и мостовой выпрямитель являются двухполупериодными выпрямителями (последний иногда называют "полным мостовым выпрямителем"), и они обеспечивают более высокую эффективность преобразования энергии, чем полуволновой выпрямитель. Выпрямители с центральным отводом и мостовые выпрямители служат почти одной и той же цели, но трансформатор с центральным отводом, используемый в первом случае, дорог, поэтому обычно предпочтение отдается мостовому выпрямителю, если только центральные отводы на трансформаторе не требуются по какой-либо особой причине. В этом руководстве мы рассмотрим проектирование и моделирование двухполупериодного мостового выпрямителя на H-мосту для однофазного и трехфазного преобразования энергии. Оба могут использоваться в промышленной среде, включая небольшие управляющие модули, которые моя компания разработала для проектов клиентов. Они повсеместно используются в других электронных устройствах, и построение моделирования с их использованием важно для понимания, как они могут обеспечивать питание последующих цепей с высокой эффективностью.

Типы схем полных мостовых выпрямителей

Ниже показана базовая схема полного мостового выпрямителя. Эта схема обычно использует четыре диода (D1-D4), соединенных попарно последовательно, и только два диода смещены в прямом направлении во время каждого полупериода переменного входного сигнала. Четыре диода в этом выпрямителе соединены в замкнутый контур, похожий на мост, и это дало название сборке. Иногда это называют неконтролируемым выпрямителем, причина чего будет показана позже в этой статье.

Однофазные против трехфазных выпрямителей

Иногда вы можете видеть вышеупомянутый выпрямитель, нарисованный в конфигурации H-моста, которая показана ниже. Эта конфигурация такая же, как и вышеуказанная. Ниже также показан трехфазный выпрямитель для сравнения, который просто использует 6 диодов вместо 4, с 2 последовательно соединенными диодами, используемыми для контроля потока тока для каждой фазы в трехфазном переменном соединении. Различия между двумя типами выпрямителей должны быть очевидны из их форм сигналов; трехфазный выпрямитель обеспечивает гораздо меньшее пульсирование, но с частотой в 1,5 раза выше, чем у однофазного выпрямителя.

Поскольку обычные диоды однонаправлены и неуправляемы, ток может течь только в одном направлении, и нет способа контролировать прямое напряжение. По этой причине мы обычно называем эти выпрямители «неуправляемыми», и нам нужно правильно выбрать диоды, используемые в этих схемах, чтобы убедиться, что выпрямитель будет полностью смещен в прямом направлении в предполагаемой рабочей среде. Если вы подключаетесь к сети переменного тока, у вас будет достаточно запаса, чтобы убедиться, что диоды в этой схеме всегда будут смещены в прямом направлении, это более важно, если вы сначала понижаете уровень, а затем применяете выпрямление. По этой причине часто используется трансформатор для первоначального понижения до умеренного уровня (номинальный уровень переменного тока 12 В или 24 В), затем сигнал проходит через выпрямитель. После сглаживания до некоторого значения постоянного тока применяется окончательная стадия регулирования для установки выходного напряжения на требуемое значение.

Управляемые выпрямители

Этот тип полномостового выпрямителя использует управляемые твердотельные компоненты, такие как MOSFET, IGBT, SCR и т. д., вместо обычных диодов. SCR обычно используется, поскольку его напряжение можно легко изменить путем прямого приложения внешнего постоянного напряжения. Таким образом, система может регулировать выходную мощность для различных напряжений по мере необходимости. Ниже показан однофазный управляемый мостовой выпрямитель, который просто включает в себя замену диодов на SCR.

Как и обычный однофазный выпрямитель, этот управляемый выпрямитель может быть изображен в виде H-моста; получаемая функциональность точно такая же. Мы также можем расширить схему до трехфазного входа, используя 6 SCR (по 2 на каждую фазу).

Выбор диодов

Как я упоминал выше, должно быть ясно, что ток через нагрузку течет только в одном направлении в обоих типах выпрямителей, так что только два диода смещены в прямом направлении в любой данный момент. В каждом полупериоде через каждый диод в секции с прямым смещением происходит падение напряжения. Для кремниевых диодов общее падение напряжения должно составлять 2*0.7 = 1.4 В, поскольку два диода будут смещены в прямом направлении. Если вы работаете с низкоуровневым трансформаторным переменным током, то вы можете использовать германиевые или Шоттки диоды, так как они имеют меньшее падение напряжения при прямом смещении.

Выходные сигналы

Обычно, после настройки выпрямителя, постоянное напряжение создается путем добавления сглаживающего конденсатора параллельно выходам. Сглаживающий конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, определяет уровень пульсаций, наложенных на выходной постоянный ток. В момент, когда входное напряжение начинает снижаться в течение цикла, конденсатор на выходе начинает разряжаться параллельно с резистором, таким образом, они образуют RC-цепь. Конденсатор периодически заряжается и разряжается с определенной постоянной времени RC между полупериодами. Прежде чем конденсатор полностью разрядится, начинается цикл зарядки, поэтому конденсатор никогда полностью не разряжается, если только не прекратить подачу входной мощности.

Здесь вы можете использовать постоянную времени RC для определения этой скорости разряда через нагрузку. Например, если мы используем сопротивление нагрузки 10 кОм с конденсатором 50 мкФ, то постоянная времени RC составит 500 мс. Это означает, что если мы хотим уменьшить пульсации на выходном постоянном напряжении, то нам нужно увеличить значение сглаживающего конденсатора или сопротивления нагрузки (или обоих). Хотя выходной сигнал не является чисто постоянным током, увеличение сопротивления нагрузки и достаточно высокое сглаживание конденсатора приводят к тому, что пульсации на выходе становятся настолько малы, что их может быть трудно заметить. Окончательный этап регулирования обычно будет LDO (для низкого напряжения) или импульсным регулятором (для высокого напряжения).

Независимо от того, разрабатываете ли вы простую плату полноволнового выпрямителя типа H-мост или вам нужно спроектировать сложную систему питания, используйте инструменты для проектирования печатных плат в CircuitMaker для подготовки ваших схем и размещения печатной платы. Все пользователи CircuitMaker могут создавать схемы, размещения печатных плат и производственную документацию, необходимую для перевода дизайна из идеи в производство. Пользователи также имеют доступ к личному рабочему пространству на платформе Altium 365™, где они могут загружать и хранить данные проекта в облаке, а также легко просматривать проекты через веб-браузер на защищенной платформе.

Начните использовать CircuitMaker сегодня и следите за новинками CircuitMaker Pro от Altium.