Выпрямление и сглаживание
| English | Русский |
|---|---|
| diodes/ˈdaɪəʊdz/ | диоды |
| capacitor/kəˈpæsɪtə/ | конденсатора |
| rectification/ˌrektɪfɪˈkeɪʃn/ | выпрямление |
| smoothing/ˈsmuːðɪŋ/ | сглаживание |
| ripple/ˈrɪpl/ | пульсации |
| forward-biased/ˈfɔːwəd ˈbaɪəst/ | прямое смещение |
| reverse-biased/rɪˈvɜːs ˈbaɪəst/ | обратное смещение |
| bridge rectifier/brɪdʒ ˈrektɪfaɪə/ | мостиковый выпрямитель |
Внутри зарядного устройства для телефона
- Зарядное устройство для телефона принимает сетевое переменное напряжение, которое меняет полярность пятьдесят раз в секунду, и подает на телефон стабильный $5\ \text{V}$.
- Между этими двумя процессами находятся именно компоненты этого урока: диоды для предотвращения смены направления и конденсатор для сглаживания остатка.
- Выпрямление — это преобразование переменного тока в постоянный (однонаправленный) ток. Это отмеченное определение.
- Сглаживание — это использование конденсатора параллельно нагрузке для уменьшения пульсаций выпрямленного выхода.
Что делает диод
- Диод проводит ток только когда он смещен в прямом направлении: его анод, плоский конец треугольника символа, более положителен, чем его катод, черта.
- В противном случае он смещен в обратном направлении и ведет себя как разомкнутый ключ.
- Рассматривайте его как идеальный: нулевое сопротивление в одном направлении, бесконечное в другом.
- Традиционный ток всегда течет через диод в направлении, куда указывает треугольник. Каждый вопрос «завершите цепь» — это одно правило, примененное к каждому диоду по очереди.
A diode conducts current:
This one-way behaviour is what lets diodes rectify a.c. into d.c.
Match each term to the definition the examiner marks.
Rectified current still varies; what makes it direct is that it never reverses.
Полупериодное выпрямление
- Один диод последовательно с нагрузкой пропускает только положительную половину каждого цикла. В отрицательной половине он смещен в обратном направлении, и ток совсем не течет.
- На выходе получаются положительные полуволны, разделенные плоскими участками нуля одинаковой длины. Среднее выходное напряжение $= V_0/\pi \approx 0.32\,V_0$.
- Половина входного сигнала выбрасывается, а выход очень неравномерен.
Горбы, затем ничего, затем снова горбы
Half-wave rectification uses ____ diode.
A single diode passes the positive half-cycles and blocks the negative ones (leaving gaps).
Рисунок схемы полупериодного выпрямления
- Источник, один диод последовательно, нагрузка и $V_{\text{OUT}}$ снимается с нагрузки. Треугольник указывает направление, в котором должен течь выходной ток.
- Если требуется сглаживающий конденсатор, он подключается параллельно нагрузке, никогда последовательно. Конденсатор последовательно полностью заблокировал бы постоянный ток, что является противоположностью цели.
Один диод в линии, один конденсатор параллельно нагрузке
Where does a smoothing capacitor go?
It must discharge THROUGH the load between peaks, which needs it in parallel. In series it would block the d.c. entirely, which is the opposite of the point.
Полнопериодное выпрямление
- Мостовая схема использует четыре диода, чтобы ток в нагрузке тек в одном направлении, независимо от того, какой входной терминал положителен.
- На выходе получается непрерывная последовательность положительных горбов без промежутков с частотой удвоенной относительно входной. Среднее выходное напряжение $= 2V_0/\pi \approx 0.64\,V_0$, вдвое больше значения для полупериодного выпрямления.
- Используется весь входной сигнал, а оставшееся намного легче сгладить.
Без промежутков и в два раза чаще
Rectifier and smoothing route
Watch alternating input become a smoother direct output.
How many diodes are in a bridge (full-wave) rectifier?
Four diodes, arranged so the load current always flows the same way whichever input terminal is positive.
A full-wave rectified output repeats at twice the frequency of the a.c. input.
Both half-cycles become positive humps, so the output ripples at double the input frequency.
Разобранный пример: объяснение моста
- Объясните, как четыре диода обеспечивают полнопериодное выпрямление. Это стандартный вопрос на четыре балла, и оценка ставится за правильное наименование диодов.
- Когда терминал P положителен: ток выходит из P, проходит через диод, направленный от P, к верхней части нагрузки, протекает вниз через нагрузку и возвращается в Q через диод, направленный к Q. Остальные два смещены в обратном направлении и не проводят ток.
- Когда Q положителен: проводит другая пара, но они расположены так, что ток все равно входит в нагрузку с верхней стороны.
- Таким образом, ток в нагрузке течет в одном и том же направлении в обоих полупериодах. Укажите, какая пара проводит в каждом полупериоде и какой конец нагрузки является положительным.
Два диода одновременно, одно направление тока через нагрузку
Put the explanation of one half-cycle of a bridge rectifier in order.
The four-mark answer is marked on naming the conducting pair in each half-cycle, not on saying the current "goes the same way".
Заполнение мостовой схемы
- При наличии мостовой схемы с отсутствующими диодами используйте одно правило: оба диода, подключенные к положительному выходному терминалу, направлены к нему, а оба, подключенные к отрицательному выходному терминалу, направлены от него.
- Один диод, включенный неправильно, либо замкнет источник питания на одном полупериоде, либо совсем ничего не пропустит.
- Проверьте ответ, пройдя по одному полному периоду вокруг контура, прежде чем переходить дальше.
In a bridge rectifier, both diodes joined to the positive output terminal point towards it.
And both joined to the negative terminal point away from it. One diode reversed either short-circuits the supply on a half-cycle or passes nothing.
Сглаживание с помощью конденсатора
- Подключите конденсатор $C$ параллельно нагрузке $R$. На восходящем участке каждого импульса он заряжается до значения, близкого к пиковому.
- На нисходящем участке и через любой разрыв диоды оказываются в состоянии обратного смещения, поэтому конденсатор разряжается через нагрузку, поддерживая ток. Это затухание имеет постоянную времени $RC$.
- На следующем пике он снова заряжается. Выходное напряжение теперь находится рядом с пиком с небольшими провалами, а величина этих провалов называется пульсацией (ripple).
Никогда не падает до нуля, никогда не превышает пика
To smooth a rectified output, you connect a capacitor:
In parallel, it charges to the peak and then discharges through the load between peaks, holding the voltage up.
Разобранное решение: какова величина пульсации
- Полуволновой выпрямитель, питаемый от источника $50\ \text{Hz}$, имеет конденсатор $470\ \mu\text{F}$, подключенный параллельно нагрузке $1.2\ \text{k}\Omega$. Оцените относительное падение между пиками и скажите, что изменит мостовая схема.
- Полуволновая схема дает один пик за цикл, поэтому пики расположены на расстоянии $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$ друг от друга.
- Постоянная времени: $RC = (1.2\times10^3)(470\times10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$.
- Разрядка: $V = V_0 e^{-t/RC} = V_0 e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_0$, то есть падение примерно на $3.5\%$.
- С мостовой схемой пики находятся всего в $10\ \text{ms}$ друг от друга, поэтому спад уменьшается вдвое, составляя около $1.8\%$. Поскольку $t \ll RC$, пульсации составляют примерно $V_0 t/(RC)$: пропорциональны времени между пиками и обратно пропорциональны как $R$, так и $C$.
A full-wave rectifier from a 50 Hz supply feeds a 1.2 kilo-ohm load with a 470 microfarad capacitor. How many milliseconds pass between output peaks?
Full-wave output runs at twice the input frequency, so 100 peaks per second and 10 ms between them. Half-wave would give 20 ms and about twice the ripple.
The mean output of a half-wave rectifier is $V_0$ divided by ____.
Half-wave gives 0.32 V0; a bridge uses both halves and doubles it to 2V0/pi = 0.64 V0. The bridge also doubles the ripple frequency, which is why the same capacitor smooths it better.
Что уменьшает пульсацию и как ее изобразить
- Большее $C$: больше накопленного заряда, поэтому меньше провал между пиками.
- Большее $R$: меньший ток нагрузки, поэтому более медленная разрядка. Обратите внимание, что это сопротивление нагрузки, поэтому более тяжелая нагрузка (меньшее $R$) делает пульсацию хуже.
- Двухволновая вместо полуволновой: меньше времени для разрядки между пиками.
- Чтобы нарисовать график: нарисуйте бугры бледно, затем кривую, которая касается каждого пика, плавно прогибается вниз и резко поднимается вверх там, где встречается следующий бугор. Она никогда не достигает нуля и никогда не поднимается выше пика.
Большее $RC$ следует за линией пиков
Select все the changes that reduce the ripple.
A bigger $RC$ (or less time between peaks) makes the capacitor discharge less between peaks — smaller ripple. A smaller capacitor does the opposite.
Потерянные баллы
- Конденсатор сглаживания подключается параллельно нагрузке. В последовательном соединении он полностью блокирует постоянный ток.
- В объяснении мостовой схемы назовите, какая пара диодов проводит ток в каждом полупериоде. Фразы «ток течет в одном направлении» недостаточно — это только один балл из четырех.
- Двухволновой выходной сигнал имеет частоту, в два раза превышающую входную частоту, а не совпадающую с ней.
- Меньшее сопротивление нагрузки означает большую пульсацию, потому что конденсатор разряжается быстрее.
- Полуволновая схема имеет плоские промежутки нулевого напряжения; двухволновая — нет. Рисуя промежутки, сохраняйте их ширину равной ширине бугров.
Вы поняли
- Выпрямление преобразует переменный ток в ток, текущий в одном направлении; диод проводит ток только при прямом смещении, в том направлении, куда указывает его треугольник
- полуволновое использует один диод и пропускает половину каждого цикла, среднее значение $V_0/\pi$; мост из четырех диодов пропускает обе половины, среднее значение $2V_0/\pi$, при двойной частоте
- конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, сглаживает пульсации за счет разрядки через нагрузку между пиками, с постоянной времени $RC$
- пульсация уменьшается при большем $C$, большем сопротивлении нагрузки и двухволновом вместо полуволнового выпрямлении