9e3377222f69609b Что такое выпрямитель: разновидности, схемы, формулы и функции расчета. Как происходит выпрямление переменного тока

Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Содержание

Что такое сварочный выпрямитель

Оборудование представляет собой преобразовательный блок с вольтамперной регулировкой. У сварочного выпрямителя на выходе два провода с клеммами: плюс и минус. При подключении одной из них к электроду, а другой к металлу возникает высокотемпературная электрическая дуга, образующая ванну расплава.

Сварочные выпрямители разделяют по уровню сложности, дополнительным функциям. Но принцип устройства у всех одинаковый: помимо трансформатора, создающего необходимое напряжение, в схему включают полупроводники, пропускающие только положительную часть синусоиды переменного тока.

Из истории вопроса

Выпрямить удаётся исключительно ток, впрочем, если применить слово к напряжению, профессионалу термин останется понятым. Электроны способны двигаться по проводу в обоих направлениях, в зависимости от разницы потенциалов. Происходящее называется переменным током, током переменного направления. Чтобы электроны постоянно двигались прямо и не сворачивали, требуется выпрямитель.

Следовательно, определение уточняется. Выпрямителем (напряжения) тока называется прибор, заставляющий электроны в цепи двигаться лишь в единственном направлении. Присутствует разница между профессиональной средой и любителями:

  1. Ученикам в школе рассказывают, что прямым называется постоянный ток. На уровне класса физики не происходит деления. Возможно, чтобы не путать учащихся.
  2. Профессионалы импульсы одной полярности уже называют выпрямленным напряжением (током). В этом свете простой диодный вентиль без сглаживающего фильтра считается выпрямителем в полном смысле слова.

Таким образом, словосочетание, указанное выше, допустимо трактовать по-разному. Если требуется постоянный ток, как в аккумуляторе, но из розетки, искомый прибор полагается называть:

  • Адаптер постоянного тока.
  • Блок питания постоянного тока.
  • Преобразователь постоянного тока.

Но не выпрямитель. Под последним понимается просто срезание отрицательной части тока и напряжения. Обработке подвергаются оба параметра, вытекая из закона Ома для участка цепи. Переозвучим: если на концах цепи без разрывов присутствует напряжение, потечёт ток. Единственное исключение из правила даёт конденсатор. В традиционном физическом классе не рассматривается при упоминании законов Ома. Зато в высшей школе преподают, что ёмкостное сопротивление изменяет сдвиг фаз между напряжением и током.

Обобщая: выпрямитель выпрямляет сразу два параметра, ток и напряжение. В первом случае присутствует однонаправленное движение электронов, во втором – градиент разницы потенциалов постоянен. Выпрямляющие свойства в противовес общественному мнению первоначально открыты в полупроводниках. Электронные лампы изобрели намного позднее в результате изысканий Томаса Эдисона и прочих (см. Лампа накаливания).

Открытие по полупроводникам сделано в 1874 году Карлом Фердинандом Брауном вскоре после перебазирования к новому месту назначения научного руководителя Георга Квинке. Университет не нашёл подходящей должности, открыватель эффекта выпрямления начинает преподавать в средней школе. Обширный досуг предоставляет Брауну достаточно времени для научной деятельности, в свет выходит первая работа по искусственным и натуральным окислам меди, платины, нейзильбера, пирита, халькопирита, галенита.

Исследование тетраэдра из блеклой породы показало анизотропность найденных свойств. Подводя к каждой из 8 граней серебряную проволоку, учёный измерял ток при помощи мультипликатора (гальванометр). Напряжение вольтова столба постоянно перепроверялось, памятуя печальный опыт Георга Ома. Требование возникло, когда учёный обнаружил нелинейность проводимости контакта металл-кристалл. Сегодня эту половинку параболы видим на любой вольт-амперной характеристике диода. Собственно, так и обнаружились выпрямляющие свойства минералов. Остаётся лишь сожалеть, что перевод работы на русский язык отсутствует, а английский доступен лишь за солидную сумму денег, но упорные читатели пусть покоряют немецкий!

Для чего нужен выпрямитель в электротехнике

Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко применяется, и главные сферы использования выпрямляющих устройств в радио- и электротехнике:

  • формирование постоянного тока для силовых электроустановок (тяговые подстанции, электролизные установки, системы возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
  • источники питания для электронных приборов;
  • детектирование модулированных радиосигналов;
  • формирование постоянного напряжения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения систем автоматической регулировки усиления.

Полная область применения выпрямителей обширна, и перечислить её в рамках одного обзора невозможно.

Устройство, из чего состоит

Сварочный выпрямитель Telwin LINEAR 410 S

Сварочный выпрямитель состоит из следующих узлов и блоков:

  • силовой трансформатор. По устройству и принципу действия он схож с трансформатором для сварки на переменном токе;
  • выпрямительный блок на полупроводниковых приборах. Для преобразования переменного тока в постоянный используются полупроводниковые элементы:
    • неуправляемые вентили — кремниевые диоды;
    • управляемые вентили — тиристоры;
  • пусковое устройство. Автомат с опцией отключения от сети в случае выхода из строя выпрямителя;
  • панель управления с органами регулировки и измерительными приборами;
  • блок защиты от токовых перегрузок и перегрева. Предотвращает выход из строя выпрямителя в случае ошибок сварщика;
  • система охлаждения. В неё входят радиаторы охлаждения вентилей и вентилятор. Для создания оптимального температурного режима в корпусе выпрямителя, вентилятор запускается на короткое время при его включении.

Целесообразно применять трехфазный выпрямитель, т. е. укомплектованный трёхфазным трансформатором. В этом случае будет значительно ниже пульсация выпрямленного напряжения, что повышает КПД сварочного устройства и улучшает качество сварного шва.

Общие характеристики выпрямительных диодов.

В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды разделяются на диоды малой, средней и большой мощности:

малой мощности рассчитаны для выпрямления прямого тока до 300mA;средней мощности – от 300mA до 10А;большой мощности — более 10А.

По типу применяемого материала они делятся на германиевые и кремниевые, но, на сегодняшний день наибольшее применение получили кремниевые выпрямительные диоды ввиду своих физических свойств.

Кремниевые диоды, по сравнению с германиевыми, имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, что позволяет получать диоды с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения, которое может достигать 1000 – 1500В, тогда как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 – 400В.

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +(125 — 150)º С, а германиевых – лишь от -60 до +(70 – 85)º С. Это связано с тем, что при температурах выше 85º С образование электронно-дырочных пар становится столь значительным, что происходит резкое увеличение обратного тока и эффективность работы выпрямителя падает.

Отличия выпрямителя и стабилизатора

В связи с ростом энергопотребления домохозяйств подстанции не редко приходится модернизировать. В ином случае качество энергоснабжения заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора или выпрямителя напряжения. Под выпрямителем тока понимается полупроводниковое, механическое, электровакуумное устройство. Большинство таких приборов создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

  • незначительные пульсации напряжения, неразрывная форма выходного тока;
  • высокий КПД во всем регулировочном диапазоне;
  • эффективное воздушное охлаждение;
  • герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения внутрь агрессивных сред;
  • современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера при различной удаленности;
  • возможность задать автоматический режим работы;
  • модульная конструкция выпрямителей высокой мощности позволяет работать при неисправности одного силового модуля;
  • оптимальные массогабаритные параметры;
  • возможность использования в качестве устройства выпрямления одно- и трехфазного тока.

Представленные в продаже выпрямители тока просты в обслуживании и отличаются высокой степенью ремонтопригодности. Для них характерен высокой энергетический фактор, то есть небольшое реактивное энергопотребление (за исключением тиристорных моделей).

Стабилизаторы напряжения – уникальная техника для автоматической регулировки сетевых параметров на прикрепленных зажимах с заранее установленными пределами. Основное отличие стабилизаторов от выпрямителей заключается в принципе их действия. Например, в стабилизирующих устройствах параметрического типа в основу положено использование свойств нелинейных элементов: карборундовых резисторов, насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов.

Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет воздействия колебаний выходного напряжения через цепочку обратной связи на регулирующий элемент. Как правило, это замкнутые системы автоматической регулировки, поэтому их иногда именуют регуляторами напряжения. Через регулирующий орган ток проходит импульсно или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

  • многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку его подачи;
  • возможность сетевого мониторинга посредством вольтметров встроенного типа;
  • наличие дополнительной защиты от замыканий в подключенной сети и перенапряжений с внешней стороны;
  • позволяют владельцу быть в курсе происходящего с электросетью.

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке

схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде.

В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока.

Особенности трансформаторных устройств

Трансформаторный выпрямитель (преобразователь электрической энергии) способен работать в сети с постоянным и переменным током. В данном случае триггеры используются трехразрядного типа. Для подключения устройств применяются проводники. Встретить трансформаторные выпрямители можно на подстанциях. Данные устройства рассчитаны на высокое выходное напряжение.

Система защиты у них устанавливается с хроматическими фильтрами. В данном случае параметр чувствительности лежит в пределах 80 мВ. Для приводных механизмов указанные устройства не подходят однозначно. Показатель приводимости тока у них равняется 20 мк. Триггеры для цепей подбираются как открытого, так и закрытого типа. В среднем параметр пороговой перегрузки находится на уровне 5 А.

силовая электроника

Параметры выпрямителей

При проектировании выпрямителя широко применяются также следующие параметры, характеризующие его внутренние особенности:

  1. действующее значение Uвх входного напряжения выпрямителя;
  2. максимальное обратное напряжение Uобр.макс на отдельном диоде или тиристоре (т. е. на вентиле). Это напряжение принято выражать через напряжение Uср;
  3. среднее значение Iд.ср тока отдельного вентиля;
  4. максимальное (амплитудное) значение Iд.макс тока отдельного вентиля.

Токи Iд.ср и Iд.макс принято выражать через Iср. Значение Uобр.макс используется для выбора вентиля по напряжению. Значения

Iд.сри Iд.макс используются для выбора вентиля по току. Здесь следует иметь в виду, что вследствие малой тепловой инерционности полупроводникового вентиля он может выйти из строя даже в том случае, когда его средний ток Iд.срм мал, но велик максимальный ток Iд.макс.

Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Стабилизатор напряжения
Стабилизатор напряжения

Типовые схемы выпрямителей

Выпрямляющее устройство может быть построено по различным принципам. Анализируя схемы устройств, надо помнить, постоянным напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условно. Этот узел выдает пульсирующее однонаправленное напряжение, которое в большинстве случаев надо сглаживать фильтрами. Часть потребителей требует еще и стабилизации выпрямленного напряжения.

Однофазные выпрямители

Самым простым выпрямителем переменного напряжения служит одиночный диод.
Схема выпрямления напряжения, с помощью одного диода.

Он пропускает к потребителю положительные полуволны синусоиды и «срезает» отрицательные.
Значение напряжения после диода.

Область применения такого устройства невелика – в основном, выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя оно и выдает ток, текущий в одном направлении, у него есть существенные недостатки:

  • высокий уровень пульсаций – для сглаживания и получения постоянного тока потребуется большой и громоздкий конденсатор;
  • неполное использование мощности понижающего (или повышающего) трансформатора, ведущее к увеличению потребных массогабаритных показателей;
  • средняя ЭДС на выходе составляет меньше половины подведенной ЭДС;
  • повышенные требования к диоду (с другой стороны – нужен всего один вентиль).

Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.
Мостовая схема выпрямления напряжения.

Здесь ток через нагрузку течёт дважды за период в одном направлении:

  • положительная полуволна по пути, обозначенному красными стрелками;
  • отрицательная полуволна по пути, обозначенному зелеными стрелками.
    Выходное напряжение после выпрямления диодным мостом.

Отрицательная волна не пропадает, а также используется, поэтому мощность входного трансформатора используется полнее. Средняя ЭДС в два раза больше, чем у однополупериодного варианта. Форма пульсирующего тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же потребуется. Его ёмкость и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций составляет удвоенную частоту сетевого напряжения.

Если есть трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно или с обмоткой, имеющей отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.
Схема выпрямителя напряжения, с обмоткой трансформатора, имеющей отвод от середины

Этот вариант фактически является удвоенной схемой однополупериодного выпрямителя, но обладает всеми достоинствами двухполупериодного. Недостатком является необходимость применения трансформатора специфической конструкции.

Если трансформатор изготавливается в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку так, как требуется, но придется применить железо несколько увеличенных размеров. Зато вместо 4 диодов используется только 2. Это позволит скомпенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.

Читайте также  Водоотводная канава: назначение, нормативные требования, устройство и способы укрепления

Если выпрямитель рассчитан на большой ток и вентили надо устанавливать на радиаторах, то установка в два раза меньшего количества диодов дает существенную экономию. Ещё надо учитывать, что такой выпрямитель имеет вдвое большее внутреннее сопротивление, по сравнению с собранным по мостовой схеме, поэтому нагрев обмоток трансформатора и связанные с этим потери также будут выше.

Трёхфазные выпрямители

От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранного по подобному принципу.
Схема трёхфазного выпрямителя.

Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой линии, уровень пульсаций всего 14%, а частота равна утроенной частоте сетевого напряжения.
Значение выходного напряжения после трёхфазного выпрямителя.

И все же исходник этой схемы – однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки не удается изжить даже с помощью трехфазного источника напряжения. Главным из них является не полное использование мощности трансформатора, и средняя ЭДС равна 1,17⋅E2eff (эффективное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора).

Лучшие параметры имеет мостовая трёхфазная схема.
Трёхфазная мостовая схема выпрямителя напряжения.

Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения составляет те же 14%, но частота равна ушестеренной частоте входного переменного напряжения, поэтому ёмкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет вдвое выше, чем в предыдущей схеме.
Значение выходного напряжения после трёхфазной мостовой схемы.

Этот выпрямитель применен с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку по схеме «звезда», но тот же самый узел вентилей будет гораздо менее эффективен при использовании совместно с трансформатором, выход которого включен по схеме «треугольника».

Выпрямители с умножением напряжения

Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно больше входного. Например, существуют схемы с удвоением напряжения:
Схема выпрямителя напряжения с удвоением.

Здесь конденсатор С1 заряжается во время отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком такого построения является невысокая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 находится под удвоенным значением напряжения. Поэтому такую схему используют в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, в качестве измеряющего органа в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.

В электротехнике и силовой электронике применяют другой вариант схемы удвоения.
Удвоитель напряжения, собранный по схеме Латура.

Удвоитель, собранный по схеме Латура, имеет большую нагрузочную способность. Каждый из конденсаторов находится под входным напряжением, поэтому по массогабаритным показателям этот вариант также выигрывает у предыдущего. Во время положительного полупериода заряжается конденсатор С1, во время отрицательного – С2. Ёмкости включены последовательно, а по отношению к нагрузке – параллельно, поэтому напряжение на нагрузке равно сумме напряжений заряженных конденсаторов . Частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а величина зависит от значения емкостей. Чем они больше, тем меньше пульсации. И здесь надо найти разумный компромисс.

Недостатком схемы считается запрет на заземление одного из выводов нагрузки – один из диодов или конденсаторов в этом случае окажется закороченным.

Эту схему можно каскадировать любое число раз. Так, повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверением напряжения и т.д.
Каскадная схема учитверителя напряжения.

Первый по схеме конденсатор должен выдерживать напряжение источника питания, остальные – удвоенное напряжение питания. Все вентили должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.

Если нет подходящих диодов, их можно соединять последовательно — при этом максимально допустимое напряжение кратно увеличится. Но параллельно каждому диоду надо включить выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, потому что в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может распределиться между диодами неравномерно. Итогом может стать превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепочки зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), то и обратное напряжение распределится строго одинаково. Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае действие дополнительных элементов на работу схемы будет минимизировано.

Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли понадобится, токи здесь невелики. Но может пригодиться в других схемах выпрямителей, где нагрузка потребляет серьезную мощность. Параллельное соединение кратно увеличивает допустимый ток через вентиль, но всё портит отклонение параметров. В итоге один диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы этого избежать, последовательно с каждым диодом ставят резистор.
Использование резистора в схеме, лдя защиты диода.

Номинал сопротивления выбирают так, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составило 1 вольт. Так, при токе в 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Мощность в этом случае должна быть не менее 1 Вт.

В теории увеличивать кратность напряжения можно до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждым дополнительным каскадом. В итоге можно прийти к ситуации, когда просадка напряжения на нагрузке превысит кратность умножения и сделает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток свойственен всем подобным схемам.

Часто такие умножители напряжения выпускаются единым модулем в хорошей изоляции. Подобные приборы применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора. Также известны схемы удвоения с использованием дросселей, но распространения они не получили – намоточные детали сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.

Схем выпрямителей существует достаточно много. Учитывая широкую сферу применения данного узла, важно подойти к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.

Принцип работы выпрямителя


Выпрямитель напряжения

Для ясного понимания принципа работы выпрямителя постоянного тока сначала придется учесть, что для выпрямления переменного напряжения применяют полупроводниковые элементы (диоды). Их отличительной особенностью является возможность проводить ток только в одну сторону. Благодаря этому свойству, подаваемое на них переменное напряжение на выходе будет иметь вид положительных пульсаций со срезанными нижними половинками полупериода колебаний. При положительных полуволнах через диод будет протекать ток, являющийся основой для формирования постоянного питания. Для его получения необходимы дополнительные электрические элементы.

Устройство выпрямительного диода

Любой выпрямитель тока имеет в своем составе следующие основные узлы:

  • Понижающий трансформатор, преобразующий 220 Вольт в нужную величину;
  • набор из диодов (мостик);
  • сглаживающий (фильтрующий) конденсатор;
  • стабилизатор, выполненный на основе транзисторных элементов.

Известно множество вариантов электронных выпрямителей, отличающихся числом и способом подсоединения диодов, а также своими рабочими параметрами. Особый интерес представляют различные подходы к включению в схему диодных элементов. Стабилизирующий каскад выпрямительного устройства собирается на транзисторных ключах, называемых электронными реле.

Полноволновое выпрямление

Почти все схемы требуют устойчивого и плавного напряжения постоянного тока. Один из способов этого добиться – использовать каждый полупериод входного напряжения.

Полноволновые выпрямители имеют фундаментальные преимущества перед их полуволновыми аналогами:

  • среднее выходное напряжение выше, чем для полуволнового сигнала;
  • выход полноволнового выпрямителя имеет гораздо меньшую пульсацию.

В схеме используется два диода, по одному на каждую половину цикла. Другим главным компонентом является трансформатор, вторичная обмотка которого разделена на две половины с общим центральным соединением. Такая конфигурация приводит к тому, что каждый диод проводит ток в свою полуволну, когда его анодный вывод положителен относительно центральной точки трансформатора, и на нагрузке создается выход в течение обоих полупериодов.

В результате протекающий через нагрузку ток проходит в одном направлении для обоих полупериодов, а выходное напряжение представляет суммарную частоту двух сигналов. Этот тип схемы известен, как двухфазная.

Среднее выходное напряжение через резистор нагрузки теперь вдвое больше и равно 0,637 U, где U – максимальное входное напряжение, или 0,9 U от среднеквадратичного значения.

Важно! Для получения другого выходного напряжения можно использовать различные коэффициенты трансформации.

Главный недостаток схемы – необходимость применения большого трансформатора для заданной выходной мощности с двумя отдельными, но идентичными вторичными обмотками, что делает ее дорогостоящей по сравнению с полноволновым мостом.

Мостовая схема

Этот тип однофазного выпрямителя использует четыре отдельных диода, соединенных в конфигурацию «мост» с замкнутым контуром, для получения желаемого выхода.

Основное достоинство мостовой схемы – не требуется специальный главный запорный трансформатор. Одинарная вторичная обмотка подключается к одной стороне диодного моста, а нагрузка – к другой.

Схема диодного моста

Особенности работы диодного моста:

  1. В продолжение положительного полуцикла одна пара диодов в противоположных плечах моста открыта, другая – заперта. Токовый сигнал проходит по нагрузке однонаправленно;
  2. Когда наступает отрицательный полуцикл, другая пара диодов открывается, а первая – запирается. На выходе ток идет в аналогичном направлении;
  3. Напряжение выхода постоянное и составляет 0,637 от максимального амплитудного значения;

Важно! В действительности на самих диодах также происходит некоторое падение напряжения (2 х 0,7 = 1,4В для кремния). Но этот недостаток имеет значение только в схемах малых напряжений.

  1. Частота пульсаций выпрямленного сигнала в два раза превышает частоту питания. Для 50 Гц на выходе получается 100 Гц.

При практической реализации данных схем можно использовать четыре отдельных диода, но также в продаже доступны готовые мостовые выпрямительные компоненты в разных значениях напряжения и тока. Скошенный уголок указывает, что ближайший выходной контакт является положительным (+), противоположный от него – отрицательный (-), а два других вывода предназначены для входного переменного напряжения от вторичной обмотки трансформатора.

Сглаживающий конденсатор

Можно улучшить среднее выходное напряжение постоянного тока выпрямителя, одновременно добавив плавности сигналу, с помощью сглаживающих конденсаторов, которые соединяются параллельно с нагрузкой.

Конденсатор заряжается до пикового напряжения выходного импульса. Но когда напряжение падает до нуля, он не может разряжаться мгновенно из-за постоянной времени RC схемы. Конденсатор разряжается только до некоторого значения, поддерживая напряжение на нагрузке до тех пор, пока он снова не зарядится при следующем пике. Таким образом, изменения напряжения невелики, но можно еще увеличить сглаживание путем увеличения емкости конденсатора.

Схема диодного моста с конденсатором

Обычно для цепей питания постоянного тока применяют конденсатор алюминиевого или электролитического типа емкостью 100 мкФ и более.

При выборе сглаживающего конденсатора учитываются:

  1. Рабочее напряжение элемента, которое должно быть выше выходного значения выпрямителя без нагрузки;
  2. Емкость, определяющая величину пульсации. Если она слишком низкая, то мало будет влиять на выходной сигнал.

Важно! При большой емкости и маленьком токе нагрузки можно получить почти чистый постоянный сигнал.

Максимальное напряжение пульсации при наличии сглаживающего конденсатора зависит от частоты и тока нагрузки и определяется по формуле:

U = I / f x C, где f – частота входного напряжения.

Трехфазная схема выпрямления

Достоинством мостового выпрямительного устройства является его легкая трансформация в трехфазную версию. Провод каждой фазы присоединяется между двумя диодами. После выпрямления полнофазного токового сигнала импульсы с фазовым сдвигом перекрываются друг с другом, и получается намного более плавный выходной показатель постоянного тока. Это решающее достоинство в мощных выпрямительных электроцепях, в которых физические габариты фильтрующих компонентов будут непомерно большими с такими параметрами, но оборудование требует постоянного токового сигнала с максимально сглаженной пульсацией

Однофазные управляемые выпрямители

В частично управляемых схемах в плечи моста устанавливаются два диода и два тиристора. В полностью управляемой схеме все диоды заменяются тиристорами. Когда на тиристоры подается ток управления немедленно, как только анод оказывается под напряжением положительной полуволны, он работает аналогично диоду. Если открывающий сигнал задерживается, то тиристор начинает пропускать ток позже. Соответственно, снижается средний показатель напряжения.

Схема тиристорного выпрямителя

Такой тип выпрямительной цепи широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.

Это только основные схемы выпрямителей разного предназначения: от блоков питания ПК и радиоэлектронных схем до снабжения постоянным током контактной сети электротранспорта, электролизных установок и сварочных аппаратов.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Технология изготовления и конструкция

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе. Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором.

Классификация выпрямителей

Данные устройства классифицируются по следующим признакам:

  • по мощности;
  • по виду переключателя выпрямляемого тока;
  • по уровню использования полупериодов переменного напряжения;
  • по схеме выпрямления;
  • по количеству фаз;
  • в зависимости от схемы выпрямления;
  • от типа электронного вентиля и пр.
Читайте также  Европланировка двухкомнатной квартиры (фото): что такое евродвушка?

Параметров, которые показывают разновидности выпрямителей много.

N-фазные выпрямители

В подобных устройствах насчитывают более 3 фаз для выпрямления тока. Другие конструктивные особенности различаются. Многофазный выпрямитель может состоять как из полноценного моста, так и из четверти и половины. По количеству входов и распараллеливанию их делят на раздельные, объединенные звездами или кольцами. Кроме того, существуют последовательные виды.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени.

Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя. При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя.

Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения. Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует. Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время.

МВ-81 со снятой крышкой

Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Электролитический выпрямитель

Это устройство работает без коммутации. Однако оно было изобретено только после появления достаточно чистого алюминия. Известно, что этот металл образует тонкую пленку прочного окисла на своей поверхности. Окись алюминия — это почти изолятор. Если погрузить алюминиевую пластину в определенный раствор и подать на нее отрицательный потенциал, пленка разрушится. При этом ток в растворе должен исходить из погруженной рядом железной пластины — анода.

Пленка окиси алюминия моментально растворится в растворе, например, фосфорнокислого натрия. Поэтому поверхность катода получится из чистого алюминия. А ток будет беспрепятственно течь между погруженными электродами. Но как только полярность электродов сменится на противоположную, поверхность алюминиевой пластины моментально окислится. Пленка с большим сопротивлением не будет пропускать электрический ток.

Энергетические характеристики электролитического выпрямителя зависят от объема сосуда, а также от размеров и числа пластин. Пластина из чистого алюминия работоспособна длительное время. Вывести из строя такой выпрямитель можно только механическим разрушением. От увеличения тока он «застрахован» свойствами электролита. Слишком высокое напряжение просто не будет выпрямляться. Но при его возвращении к номинальной величине этот выпрямитель продолжит работу. Он просто не убиваем.  

Электролитический выпрямитель
Электролитический выпрямитель

Ламповые варианты

Такие механические и электролитические выпрямляющие устройства просуществовали несколько десятилетий до того времени, как появились электронные лампы. Но и они были ограничены потерями электроэнергии. Хотя и не связанными с коммутацией. Дело в том, что для работы лампы необходим предварительно созданный запас электронов.

А его не научились получать в лампах иначе, как раскаляя нить накала. Вот и получалось, что, несмотря на быстродействие, обычная лампа-диод расходовала слишком много электроэнергии на выпрямление напряжения. Но со временем была изобретена мощная ртутная лампа — ртутный выпрямитель. Она отличалась тем, что в ней возникал управляемый электрический разряд в парах ртути. Разряд существовал только на одной полуволне напряжения.

Ртутный выпрямитель
Ртутный выпрямитель

Это позволило довести мощность выпрямителя до значений, приемлемых для промышленного использования. И на основе ртутных выпрямителей были построены первые ЛЭП, работающие при постоянном напряжении. А во всех остальных электроприборах так и применялись электронные лампы-диоды. В 30-е годы ХХ века появились первые полупроводниковые выпрямители на основе селена. Они так и назывались — «селеновые выпрямители».

Структура селеновой выпрямительной пластины
Структура селеновой выпрямительной пластиныКонструктивное исполнение селеновых выпрямителей
Конструктивное исполнение селеновых выпрямителей

Однако характеристики этих выпрямителей оставляли желать лучшего. Поэтому поиски более эффективных технических решений продолжались и завершились появлением полупроводникового диода. Но его преимущества тоже относительны. Температура полупроводника не может превышать 130–150 градусов Цельсия. По этой причине все предшествующие виды выпрямителей имеют свою нишу для условий с высокой температурой и радиацией. При остальных условиях эксплуатации применяются диодные выпрямители.

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Влияние переменной составляющей оценивается коэффициентом пульсации.

Его можно уменьшить двумя способами:

  • улучшая эффективность электрического фильтра;
  • улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

  • по схеме моста;

Схема выпрямительного моста
Схема выпрямительного моста

  • по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока. Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Полупроводниковые диоды вместе с конденсаторами позволяют создавать схемы, в которых конденсаторы за полпериода заряжаются и за полпериода разряжаются в нагрузку. При этом напряжения, которые на них накапливаются, суммируются. Таким путем можно создавать схемы для умножения напряжения. Наиболее простая и эффективная схема выпрямителя, который удвоит напряжение, содержит два диода и два конденсатора. Ее называют схемой Латура-Делона. Ее аналогом является схема Гренашера.


Создавая необходимое число ячеек, содержащих конденсаторы и диоды, можно получить любое напряжение, кратное их числу. Схема, соответствующая этому решению, показана далее. В ней каждая из ячеек содержит конденсатор и диод.

Она также именуется как «генератор Кокрофта-Уолтона». Для двух- и трехфазных напряжений существуют соответствующие выпрямители. Это такие же схемы, как и для однофазного напряжения, но соединяемые в соответствии с достигаемой целью. Примеры таких схем показаны далее.



 

 

Многофазные источники переменного напряжения — это наиболее эффективный способ получения минимальной величины коэффициента пульсации. Классификация как многофазных, так и прочих выпрямителей в целом довольно-таки обширна. Они характеризуются:  


В статье были подробно рассмотрены лишь некоторые виды выпрямителей, имеющие наиболее широкое использование.

Какие бывают выпрямители

Если задачей выпрямителя предусматривается только преобразование тока, то их изготавливают на основе неуправляемых вентилях, т.е., диодов.

Если на выпрямитель накладывается обязанность регулировка уровня напряжения, то здесь используются управляемые вентили – тиристоры.

Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)

Представляет собой простейшее устройство, преобразовывающее сигнал из переменного электрического тока в постоянный. Таким образом происходит сглаживание уровня сигнала. Схема построена на одном полупроводниковом вентиле (диоде). Редко применяется в промышленности, так как для питания автоматики и аппаратуры требуется добавление в цепь питания фильтров, которые бы сглаживали полуволну. Поэтому размеры и масса устройств на базе данного выпрямителя выходят слишком значительными. Не подходит к электрическому току с промышленной частотой сигнала в 50-60 Герц.

Такая схема выпрямителя используется в импульсных БП. Требуется для компьютерной техники и с высокой частотой сигнала – около 10 Герц. Также применяется в промышленности для выпрямления высокочастотного тока.

Устройство отличается следующими достоинствами:

  • Высокая частота пульсация;
  • Повышенная нагрузка на выпрямляющее устройство;
  • Ухудшение работы трансформатора вследствие намагничивания;
  • Невысокий показатель соотношения габаритов к мощности.

Однофазный мостовой выпрямитель

(рис. 2.75, а) можно считать пределом совершенства тех однофазных выпрямителей, которые могут использоваться без трансформатора.

рис. 2.75 а

Не известна другая однофазная схема без трансформатора, в которой бы так рационально использовались диоды. Диоды в рассматриваемой схеме включаются и выключаются парами. Одна пара — это диоды D1 и D2, а другая — D3 и D4. Таким образом, к примеру, диоды D1 и D2 или оба включены и проводят ток, или оба выключены (рис. 2.75, б).

Абрамян Евгений Павлович
Абрамян Евгений ПавловичДоцент кафедры электротехники СПбГПУЗадать вопрос Если не забывать мысленно заменять каждый включенный диод закороткой, а каждый выключенный — разрывом цепи, то анализ работы этой схемы оказывается совсем нетрудным.

Основные параметры усилителя следующие:

Uср = 2 · √2 / π· Uвх ≈ 0,9 · Uвх

Uвх ≈ 1,11 · Uср

Iср= Uср/ Rн

ε = 2 / 3 ≈ 0,67

Uобр.макс= √2 · Uвх= π/2 · Uср

Iд.ср= ½ · Iср

Iд.макс= √2 · Uвх/ Rн= π/2 · Iср

Такой выпрямитель характеризуется высокими технико-экономическими показателями и широко используется на практике. Часто все четыре диода выпрямителя помещают в один корпус.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Двуполупериодное выпрямление

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Внешний вид сдвоенного диода

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Типовая схема мостового выпрямителя (схема Гретца)

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

Мостовой выпрямитель с фильтром на плате компьютерного блока питания

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — VF). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x VF, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Два четвертьмоста параллельно

Данная схема состоит из двух четвертьмостов с одним периодом, которые работают независимо один от одного, на одну мощность. Принцип работы заключается в распараллеливании полуволны на 2 части. При первом временном промежутке происходит на одну половину, затем через часть схемы.

Два полных моста последовательно

Это двухфазная схема, которая включает два последовательных диодных моста. При этом электродвижущая сила равняется удвоенной относительно полного моста с одной фазой. Относительно сопротивление увеличивается в 4 раза.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Типовая схема выпрямителя с удвоением

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Трехфазный выпрямитель

Прибор представляет собой схему, которая используется для преобразования переменного сигнала. Применяется в трехфазных электрических сетях. Существует несколько схем, включающих разное число диодов. В некоторых схемах используются диодные мосты.

Если брать трехфазный прибор, то степень колебаний сигнала снижается. Трехфазный выпрямитель получается путем преобразования однофазного двухполупериодного выпрямителя. Обычно схема включает 6 или более вентилей. Напряжение, которое проходит через один диод, равняется трети от максимального тока нагрузки. На выходе напряжение выше, чем у мостового прибора.

Три полных моста параллельно (12 диодов)

Это менее распространенная схема, состоящая из 12 параллельно соединенных диодов. По большинству характеристик значительно превосходит другие выпрямители напряжения. При прохождении электрического тока через всю схему исходящее напряжение выходит без пульсаций.

Три полных моста последовательно

Последовательная схема с двенадцатью диодами представляет собой трехфазный выпрямитель тока. Сопротивление в ней эквивалентно трем диодным мостам, в каждом из которых уровень сопротивления равен 3R. Таким образом, общий уровень препятствия движению заряженных частиц приблизительно равен 9R. В то время как частота колебаний в 6 раз выше, чем такая же от поступающего сигнала. Достоинством такого выпрямителя является наибольшая средняя электродвижущая сила, поэтому он часто используется в источниках мощности с большим выходным напряжением.

Читайте также  Уход за розами осенью и подготовка к зиме: обрезка, подкормка, укрытие

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)
Типовая схема выпрямителя с удвоением

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.
Типовая схема умножителя напряжения

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.
Типовая схема простейшего трёхфазного выпрямителя

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.
Схема трёхфазного выпрямителя

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Трехфазная схема выпрямления

Устройства с тремя входящими фазами являются достаточно распространенными. Они обрезают часть волны, за счет чего значительно снижают колебания. Наиболее популярна трехдиодная схема Миткевича и шестидиодная схема Ларионова.


Трехфазные выпрямители

Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)

Такая схема нередко называется шестифазной. По свойствам похожа на выпрямитель, состоящий из трех полных диодных блоков, соединенных последовательно. Однако в данной схеме значительно повышается уровень эквивалентного сопротивления. Последовательная схема состоит из 6 диодов и резистора, поэтому относительный ток через каждый из проводящих элементов вдвое выше.

Полноволновое выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выход, т.к. он состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. 

Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.

Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.

Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.

Принцип работы - изображение 33

В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.

Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

Разновидности устройств, их обозначение - фото 34

Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR 1 и D 2 и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V INпроводимость проходит через SCR 2 и D 1 и возвращается к источнику питания.

Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR 1 или SCR 2 ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D 2 или D 1 ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.

Таким образом, среднее выходное напряжение V AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:

Вольт-амперная характеристика - фотография 35

Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.

Коэффициент выпрямления - фото 36

В конфигурации с полностью управляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров на полупериод. Тиристоры SCR 1 и SCR 4 запускаются вместе как пара во время положительного полупериода, в то время как тиристоры SCR 3 и SCR 4 также запускаются вместе как пара во время отрицательного полупериода. Это 180 oпосле SCR 1 и SCR 4 .

Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).

Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:

Основные параметры устройств - фотография 37

со средним выходным напряжением, изменяющимся от V MAX / π до -V MAX / π путем изменения угла зажигания, α от π до 0 соответственно. Поэтому, когда α <90 o,среднее напряжение постоянного тока является положительным, а когда α> 90 oсреднее напряжение постоянного тока является отрицательным. То есть мощность течет от нагрузки постоянного тока к источнику переменного тока.

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Принцип работы - фото 8

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и 

Полуволновое выпрямление - изображение 9

 . Поскольку Ud считаем заданным, то

Полноволновое выпрямление - изображение 10

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель - фотография 11

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Форма волны на выходе выпрямителя - изображение 12

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя - фото 13

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель - фотография 14

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Полностью управляемый мостовой выпрямитель - фотография 15

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Резюме однофазного выпрямления - фотография 16

Где: l – полупериод π/m;  

Выпрямители тока: принцип работы, схема - фото 17

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Схема выпрямителя - фото 18

Заменив  

Принцип действия - изображение 19

 получим:

Силовые устройства - фото 20

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Принцип работы выпрямителей сигналов - изображение 21

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Мостовые устройства - фото 22

Средний ток диодов

Полупроводниковые радиоэлементы обладают выпрямляющими свойствами. Поэтому их важнейшей характеристикой считается средний ток. Данная величина представляет собой усредненную за время работы сглаженного постоянного тока через полупроводниковый период. В вентилях выпрямительного типа значение может достигать от сотых частей до 100 и выше Ампер.

Мостовой удвоитель напряжения

Схема сходна по структуре с мостом Гретца, однако дополнительно устанавливаются накопительные элементы. Это позволяет суммировать напряжение на выходе из мощности, накопленной конденсаторами за время прохождения тока. Удвоение представляет собой преобразование низкочастотного переменного напряжения в высокочастотное постоянное.

Выпрямитель – это устройство, которое превращают переменный ток, полученный из сети, в нужный постоянный. При этом электрический ток на выходе может обладать сниженной амплитудой колебаний либо быть полностью сглаженным. Таким образом, устройства, требующие для работы постоянного напряжения, получают питание. Используется для зарядки большинства аккумуляторов, например, в зарядном устройстве Рассвет, сварочных аппаратах и электросиловых установках. Класс устройства определяется количеством диодов.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени. Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя.

Схема получения повышенного напряжения.
Схема получения повышенного напряжения.

При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения.

Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Популярные выпрямители напряжения
Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с фото.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует.

Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время. Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Преимущества, характеристики перед аппаратами-трансформаторами

В отличие от трансформаторов, выпрямители обеспечивают куда более мощные энергетические показатели, обладают большей широтой пределов регулирования, они намного проще и надежней в использовании, имеют меньший вес и габариты, большую экономичность при изготовлении, и, что несомненно приятно – они практически бесшумны. Поскольку ток идет непрерывно, увеличиваются глубина проплавления металла, сварка идет стабильно,повышаются прочность и качество шва.

Сварочный выпрямитель СиМЗ ВД-306 СТ. Фото 220Вольт

Недостатки

К сожалению, все имеет свои недостатки – работа сварочных выпрямителей сопровождается существенными потерями электроэнергии в реостатах. Кроме этого, они проявляют острую чувствительность к колебаниям сетевых напряжений и требуют тщательной защиты от пыли, влаги и ударов.

Подведем итоги

  • Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
  • Однополупериодный выпрямитель – это схема, которая позволяет только одной половине синусоиды переменного напряжения достичь нагрузки, давая на ней в результате неизменяющуюся полярность. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, значительно «пульсирует».
  • Двухполупериодный выпрямитель – это схема, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одной полярности. Полученное постоянное напряжение, приложенное к нагрузке, «пульсирует» не так сильно.
  • Многофазное переменное напряжении при выпрямлении дает более «гладкую» форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.
Источники
  • https://oooevna.ru/upravlaemye-vypramiteli-ustrojstvo-shemy-princip-raboty/
  • https://VashTehnik.ru/enciklopediya/vypryamitel-napryazheniya.html
  • https://odinelectric.ru/equipment/electronic-components/chto-takoe-vyprjamitel-naprjazhenija
  • https://kovka-svarka.net/svarochnye-apparaty/vypriamiteli/
  • https://rmms66.ru/vypramitel.html
  • https://ElectroInfo.net/teorija/vyprjamitel-naprjazhenija.html
  • https://intech-irk.ru/sovety/dvuhpoluperiodnyj-vypryamitel.html
  • https://pue8.ru/silovaya-elektronika/890-vypryamiteli.html
  • https://oxotnadzor.ru/sostavnyye-chasti-vypryamiteley-peremennogo-toka/
  • https://StrojDvor.ru/elektrosnabzhenie/raznovidnosti-i-princip-raboty-vypryamitelej-napryazheniya/
  • https://elquanta.ru/teoriya/vypryamitel-toka.html
  • https://otdelkagres.ru/vypryamitel-toka/
  • http://vegetableshome.ru/%D1%87%D1%82%D0%BE-%D1%82%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%B5-%D0%B2%D1%8B%D0%BF%D1%80%D1%8F%D0%BC%D0%B8%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C-%D1%82%D0%BE%D0%BA%D0%B0-%D0%B8-%D0%B4%D0%BB%D1%8F-%D1%87%D0%B5%D0%B3%D0%BE-%D0%BD/
  • https://domelectrik.ru/baza/teoriya/vypryamitel-napryazheniya
  • https://strop-snab.ru/teoriya/princip-raboty-vypryamitelya.html
  • https://go-radio.ru/vipramiteli.html
  • https://math-nttt.ru/teoriya/vypryamitelnyj-diod-shema.html
  • https://LedModa.ru/v-dele/vypryamlenie-peremennogo-toka.html
  • https://lampa-ekb.ru/sovety/vypryamitel-toka.html
  • https://amperof.ru/elektropribory/vypryamitel-toka.html
  • https://oxotnadzor.ru/chto-znachit-vypryamlennoye-napryazheniye/
  • https://oxotnadzor.ru/vse-vidy-vypryamiteley-peremennogo-toka/
  • https://principraboty.ru/princip-raboty-vypryamitelya/
  • https://radioprog.ru/post/171
[свернуть]

Опубликовано: 23.08.2021

Поделиться:
Нет комментариев
    ×
    Рекомендуем посмотреть
    WordPress Themes
    Adblock
    detector