Что такое выпрямитель напряжения. Выпрямители: разновидности, схемы, формулы и функции расчета

Как известно, электрическая энергия производится, распределяется и потребляется преимущественно в виде энергии переменного тока. Так удобнее. Однако потребители электрической энергии бывают разные. Для потребителей переменного тока (асинхронных и синхронных электрических двигателей, трансформаторов, люминесцентных ламп) важно, чтобы потребляемый ими ток был знакопеременным (лучше всего – синусоидальным). Частота изменения знака тока стандартизована (в Украине – 50 Гц). Другие потребители требуют, ток был одного знака. К таким относятся электрические двигатели переменного тока, аккумуляторные батареи во время их заряда, гальванические и электролизные ванны, сварочные установки, электронные микросхемы и т.п. Их называют потребителями постоянного тока.

Выпрямитель – полупроводниковый преобразователь энергии, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Потребность в использовании выпрямителя возникает тогда, когда для питания потребителя постоянного тока необходимо использовать энергию из источника переменного тока (например, промышленной или бытовой сети переменного тока). В таком случае выпрямитель включают между источником переменного тока и потребителем постоянного тока.

Выпрямители широко используются в блоках питания компьютеров, агрегатах бесперебойного питания, зарядных устройствах для мобильных телефонов и ноутбуков, на преобразовательных подстанциях электрического транспорта, в электроприводах постоянного тока, разнообразных электронных схемах.

Какие бывают выпрямители

Если задачей выпрямителя есть лишь преобразование рода тока (выпрямление), их строят на основе неуправляемых вентилей (диодов). В случае, когда на выпрямитель возложено также регулирование уровня напряжения, подаваемого к потребителю, необходимо использование управляемых вентилей (тиристоров). Подобного регулирования требует, например, электрический двигатель постоянного тока для изменения скорости вращения.

В зависимости от количества фаз питающей сети различают однофазные выпрямители и трехфазные.

По уровню мощности выпрямители подразделяют на маломощные (выпрямители сигналов) и мощные или силовые.

Вентили

Современные вентили – обычно полупроводниковые (маломощные – на основе кристаллов германия, более мощные – кремниевые). Не вдаваясь в подробности их внутреннего строения и физических принципов функционирования, рассмотрим только потребительские свойства.

Простейший из вентилей (диод ) является неуправляемым. Он имеет два вывода (анод А и катод К, см. рис. 1) и может проводить ток только в одном направлении – от анода к катоду. Если к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду – отрицательный (как на рис. 1а), диод будет открыт, и через него будет протекать ток. Если поменять направление включения диода (как на рис. 1б) или источника питания U , ддиод будет закрыт, а ток – отсутствовать. Будем считать диод идеальным вентилем (то есть, его внутреннее сопротивление в открытом состоянии равно нулю, а в закрытом – бесконечности). Графическое обозначение диода на электрических схемах похоже на стрелку, показывающую единственное возможное направление протекания тока. Чтобы отличить на схеме один диод от других, рядом с их графическим обозначением пишут VD и текущий номер диода (например VD1 ).

Тиристор является вентилем управляемым. Кроме анода и катода, он имеет третий вывод (управляющий электрод УЭ на рис. 2). Он также проводит ток только в одном направлении (от анода к катоду). Для его отрывания необходимо выполнить два условия:

• подать на анод положительный потенциал относительно катода (как для диода);
• обеспечить протекание в цепи между управляющим электродом и катодом тока управления i у , направленного как на рис 2а.

Для обеспечения протекания тока управления используют дополнительный источник напряжения u у . ВВеличина тока управления намного меньше тока между анодом и катодом (то есть силового тока). Если цепь управляющего электрода разомкнуть (как на рис. 2б), ток управления будет отсутствовать, и тиристор не откроется. Графическое обозначение тиристора похоже на обозначение диода, однако имеет третий вывод УЭ. Нумерацию тиристоров на схемах производят с использованием букв VS. Благодаря наличию управляющего электрода тиристор становится управляемым вентилем. Он открывается только тогда, когда будет выполнено на только первое условие его открывания, но и второе. Потому ток управления могут подавать не сразу после выполнения первого условия, а несколько позднее. Этот ток подается от специальной системы управления. Долее мы не будем показывать цепь, по которой протекает ток управления.

Рис. 3. Диоды

Тиристор имеет одну особенность: он открывается при помощи управляющего электрода, но закрывается только тогда, когда ток между анодом и катодом исчезнет. Добиться этого с помощью управляющего электрода невозможно. Поэтому тиристор иногда вентилем. называют полууправляемым вентилем.

Конструкция диодов малой мощности показана на рис. 3. У верхнего диода (более мощного, чем нижние) катод расположен слева. Внизу изображен диодный мостик (о них ниже).

Более мощные диоды и тиристоры изображены на рис. 4. Катод обычно имеет резьбу, которой крепится на охладителе, анод – гибкий вывод. Охладители (рис. 5), отводя тепло от вентиля, предотвращают их перегрев. Наиболее мощные приборы имеют таблеточную конструкцию (см. нижнюю часть рис. 4), которая обеспечивает отвод тепла наружу от обоих торцов (справа на рис. 5).

Простейший выпрямитель

ВВыпрямитель (рис. 6а) питается от источника знакопеременного (обычно синусоидального) напряжения u . Он состоит только из одного диода. Будем считать, что нагрузка выпрямителя – потребитель с чисто активным внутренним сопротивлением (R ). Ток, протекающий через нагрузку, и приложенное к ней напряжение обозначены на рис. 6б индексами d (от англ. Direct – постоянный). Диод открыт только тогда, когда к аноду приложен положительный потенциал (напряжение источника положительное, первый полупериод на рис. 6б).

Рис. 5. Тиристоры с охладителями

Рис. 6. Процессы в простейшем выпрямителе

К нагрузке через открытый диод подается напряжение от источника. Ток, протекающий по цепи «источник u – диод – нагрузка» при чисто активной нагрузке повторяет по форме напряжение: . Поэтому со снижением напряжения до нуля исчезает и ток, а диод закрывается. На следующем полупериоде, когда напряжение источника отрицательно, ток отсутствует, напряжение на нагрузке равняется нулю. После того, как напряжение источника снова станет положительным, открывается диод, и к нагрузке снова прикладывается напряжение. Таким образом, благодаря выпрямителю напряжение на нагрузке (выпрямленное напряжение u d ) содержит в себе только положительные полупериоды напряжения u , а выпрямленный ток повторяет по форме выпрямленное напряжение. В нижней части рис. 6б изображена диаграмма работы диода (черная линия показывает интервалы времени, когда диод открыт).

Только что рассмотренная схема используется только для питания потребителей малой мощности. Более распространена мостовая схема (рис. 7а).

В ее состав входят четыре диода, работающие попарно-поочередно. На первом полупериоде питающего напряжения (правая клемма источника имеет положительный потенциал) открыты диоды VD1 и VD4 , образуется путь протекания тока, изображенный на рис. 7б. К нагрузке прикладывается положительное напряжение. На втором полупериоде открыты VD2 та VD3 , а ток протекает, как показано на рис. 7в (в нагрузке – в прежнем направлении). К нагрузке вновь приложено положительное напряжение. Выпрямленные напряжение и ток во времени изменяются согласно рис. 7г. Поскольку оба полупериода напряжения питания являются рабочими, среднее значение выпрямленного напряжения вдвое больше по сравнению со схемой рис. 6а. Мостовые выпрямители небольшой мощности выпускают в виде т.н. «диодных мостиков» (снизу на рис. 3).

Если необходимо не только формировать на нагрузке знакопостоянное напряжение, но и изменять при необходимости ее среднее значение (для регулирования сварочного тока, скорости электродвигателя), вместо диодов в выпрямителях используют тиристоры (рис. 8а). Если тиристоры получают в цепь управления управляющий сигнал сразу же после того, как напряжение их анодах становится положительным, тиристоры работают также, как и диоды, и процессы в схеме ничем не отличаются от рассмотренных ранее. Если же задержать подачу тока управления, открывание тиристоров происходит позднее (на рис. 8б – по окончании времени задержки t з ). Пока тиристоры закрыты, ток отсутствует, и напряжение к нагрузке не прикладывается. Из кривой выпрямленного напряжения «вырезается» определенный участок, и среднее значение напряжения уменьшается. Увеличение задержки t з приводит к дальнейшему уменьшению среднего выпрямленного напряжения.

Тиристорные выпрямители используются в электроприводах постоянного тока для питания обмоток якоря и возбуждения электродвигателей постоянного тока. На рис. 9 показан внешний вид подобного электропривода. Кроме собственно выпрямителя, в его состав входят микропроцессорные системы управления вентилями, скоростью и моментом электродвигателя, дисплей и пульт управления для диалога с пользователем, а также дополнительные элементы, обеспечивающие функционирование электропривода. Выпрямители большой мощности размещаются в электрических шкафах (рис. 10).

Рис. 10. Мощный выпрямитель

Выпрямитель электрического тока это устройство, преобразующее переменный ток в постоянный. Он обычно реализуется на полупроводниковых диодах. Простейший выпрямитель тока содержит трансформатор, выпрямительный диод и нагрузку. Его приведена на рисунке 1.

Приведенная на рисунке 1 схема построена по однотактной схеме выпрямления однофазного источника переменного напряжения. В этой схеме трансформатор позволяет преобразовать переменное напряжение до необходимого на выходе значения. Полупроводниковый диод пропускает ток только в одном направлении, и именно этот ток подается в нагрузку.

Как уже обсуждалось в статье " ", в однотактных схемах постоянный ток нагрузки протекает через трансформатор, поэтому его сердечник подмагничивается. Понять процессы, происходящие в однотактном выпрямителе, помогут временные диаграммы, приведенные на рисунке 2.

Как уже определялось при обсуждении , ток в первичной обмотке трансформатора равен сумме тока его холостого хода (i xx) и переменной составляющей тока нагрузки, пересчитанной в первичную цепь (i 2 ’). Форма тока в первичной обмотке (i 1) трансформатора, входящего в состав однополупериодного выпрямителя, сильно отличается от синусоидальной. По этой причине подобная схема применяется достаточно редко.

В общем случае, при работе от многофазной сети переменного тока, у трансформатора есть m 1 первичных обмоток, подключенных к различным фазам сети, и р фаз во вторичной цепи, которое называют пульсностью. Обычно m 1 ≠ p . Пульсность схемы определяется произведением

С точки зрения выражения (1) однопериодный выпрямитель тока, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1, обладает пульсностью p = 1 · 1 = 1

В качестве примера выпрямителя тока с количеством фаз напряжения на выходе больше, чем на входе, можно привести двухфазный однотактный выпрямитель тока. Его принципиальная схема приведена на рисунке 3.

В данном случае используются две вторичных обмотки, включенных противофазно (обмотка с отводом посередине). В течение одного периода сети через каждую из них протекает один импульс тока i 2 ’ и i 2 ". Благодаря диодам эти токи протекают через нагрузку в одном направлении, а через вторичные обмотки из-за противофазного включения — в разных направлениях. В результате форма тока в первичной обмотке не искажается и в сердечнике трансформатора не происходит подмагничивание постоянным током.

При этом с точки зрения выражения (1) в данной схеме пульсность p= k · q = 2 · 1 = 2 . Уменьшение времени, когда на нагрузке отсутствует входное напряжение, позволяет значительно уменьшить габариты сглаживающего фильтра. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя тока приведены на рисунке 4.

При расчете очень важно знать частоту первой гармоники пульсаций. В схеме двухфазного однотактного выпрямителя она вдвое выше частоты сети (Т П = Т/2) и может быть определена через пульсность

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 5.

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. Она показана на рисунке 6.

Трехфазный однотактный выпрямитель напряжения состоит из и трёх выпрямительных диодов VD1, VD2 и VD3. Нагрузка включается между точкой соединения катодов диодов и общей точкой вторичных обмоток трансформатора. Для пояснения принципов работы данного устройства на рисунке 7 приведены временные диаграммы токов и напряжений на вторичных обмотках трансформатора, на выходе схемы и на одном из выпрямительных диодов.

Трехфазный однотактный выпрямитель переменного тока применяется в относительно низковольтных устройствах. На его выходе удается получить пульсацию напряжения около 13%. Это соответствует требованиям к качеству питания большинства устройств. по крайней мере при сварке постоянным током электрическая дуга не будет гаснуть, что позволит получить качественный шов сварки металла.

Если для питания устройства требуется большее напряжение по сравнению с предыдущим случаем, то можно применить трехфазную двухтактную схему выпрямления тока. Она позволяет снизить требования к сглаживающему фильтру. Принципиальная схема трехфазного двухтактного выпрямителя тока приведена на рисунке 8. Это устройство известно также под названием трехфазного выпрямительного моста или схемы Ларионова.

Напряжение на выходе схемы, приведенной на рисунке 8, можно представить как сумму двух трехфазных однотактных выпрямителей тока, работающих в противофазе. Его можно записать как U d = U d 1 + U d 2 . Это позволяет увеличить количество фаз на выходе схемы и тем самым увеличить основную частоту пульсаций выходного напряжения. Это позволяет уменьшить требования к сглаживающему фильтру, а в ряде случаев вообще отказаться от него.

В схеме Ларионова на входе выпрямителя присутствуют три фазы обмотки, поэтому k = 3 и ее пульсность p= k · q = 3 · 2 = 6 . Отсюда можно определить основную частоту спектра пульсаций f П = 6 · f с. Временные диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы трехфазного выпрямительного моста приведены на рисунке 9.

Как видно из приведенных временных диаграмм уровень пульсаций на выходе рассмотренного трехфазного выпрямителя тока значительно меньше предыдущих вариантов выпрямителей и составляет 3,5%. Однако с помощью трехфазного трансформатора можно получить на выходе количество фаз больше шести. Это позволяет дополнительно уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе трёхфазного выпрямителя тока. Возможна реализация девяти, двенадцати, восемнадцати и более фазных выпрямителей. Повышение количества фаз позволяет уменьшить уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя. В качестве примера рассмотрим схему двенадцатипульсного выпрямителя тока. Его схема приведена на рисунке 10.

В данной схеме применяется трехфазный трансформатор с двумя вторичными обмотками для каждой фазы. При этом одна группа вторичных обмоток включается по схеме "звезда", а другая — "треугольник". В результате напряжения на выходе каждой из групп вторичных обмоток оказывается сдвинутыми на 30° Для того, чтобы напряжения были равны, количество витков в каждой из групп вторичных обмоток отличаются в 1.73 раза. Благодаря последовательному включению постоянные напряжения на выходе диодных мостов суммируются U d = U d 1 + U d 2 и на нагрузке действует напряжение с частотой пульсаций в 12 раз выше частоты сети и значительно меньшим по сравнению с предыдущими схемами уровнем пульсаций, равным 0.9%.

Дата последнего обновления файла 16.02.2018

Литература:

1. Сажнёв А.М., Рогулина Л.Г., Абрамов С.С. “Электропитание устройств и систем связи”: Учебное пособие/ ГОУ ВПО СибГУТИ. Новосибирск, 2008г. – 112 с.
2. Алиев И.И. Электротехнический справочник. – 4-е изд. испр. – М.: ИП Радио Софт, 2006. – 384с.
3. Гейтенко Е.Н. Источники вторичного электропитания. Схемотехника и расчёт. Учебное пособие. – М., 2008. – 448 с.
4. Электропитание устройств и систем телекоммуникаций: Учебное пособие для вузов / В.М.Бушуев, В.А. Деминский, Л.Ф. Захаров и др. – М.,2009. – 384 с.
5. Денисов А.И., Зволинский В.М., Руденко Ю.В. Вентильные преобразователи в системах точной стабилизации. – К.: Наукова думка, 1997. – 250 с.

Вместе со статьей "Выпрямитель переменного тока" читают:

Выпрямление электрических колебаний , это процесс, в результате которого переменное входное колебание преобразуется в выходное колебание только одного знака (рисунок 1.5). Процесс выпрямления используется в устройствах электропитания (блоках питания) и демодуляторах.

Выпрямление всегда осуществляется при использовании нелинейных элементов, обладающих свойством однонаправленного пропускания электрического тока. Благодаря таким свойствам на выходе выпрямляющего элемента получают ток одного знака.

Для выпрямления применяют полупроводниковые и вакуумные (кенотроны) диоды, газоразрядные диоды (газотроны), тиратроны , кремниевые и селеновые элементы, тиристоры и другие элементы с нелинейными свойствами в зависимости от применения, значений выпрямленных напряжений и токов, отбираемых нагрузкой. В маломощных электронных устройствах для выпрямления чаще всего применяют полупроводниковые диоды.

Название “выпрямитель” используется, прежде всего, для схем, преобразующих переменный ток в постоянный. Выпрямителем называется также и сам элемент с однонаправленными свойствами, используемые в процессе выпрямления.

Однополупериодным выпрямителем называется такой выпрямитель, на выходе которого после процесса выпрямления остаются колебания одного знака. Схема однополупериодного выпрямителя, возбуждаемого синусоидальным сигналом, представлена на рисунке 1.6.

Диод, включенный таким образом, что приводит ток только при положительных полупериодах входного колебания, т.е. когда напряжение на его аноде больше потенциала катода. Среднее значение колебания, полученного в результате выпрямления синусоидального напряжения с действующим значением и максимальным значением , равно

.

Например, при выпрямлении напряжения с действующим значением , после выпрямления получаем напряжение .

В отрицательный полупериод диод не проводит ток, и все подведенное к выпрямителю напряжение действует на диоде как обратное напряжение выпрямителя. При изменение направления включения диода он будет проводить в отрицательные полупериоды и не проводить в положительные.

Рассматриваемая схема выпрямителя называется последовательной. Название связано с тем, что нагрузка включается последовательно с нелинейным элементом (вентилем).

Двухполупериодным выпрямителем называют такой выпрямитель, в котором после процесса выпрямления остаются участки входного колебания, имеющие один знак. К ним после изменения знака добавляются участки, имеющие противоположный знак.

Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя, управляемого синусоидальным сигналом от трансформатора, показана на рисунке 1.7.

В периоды времени, когда на аноде диода Д1 действует положительное напряжение, на аноде диода Д2 присутствует отрицательное и наоборот. Это происходит потому, что средняя точка вторичной обмотки трансформатора заземлена, и, следовательно, она имеет нулевой потенциал. При положительной полуволне напряжения на вторичной обмотке диод Д1 пропускает ток, а диод Д2 не пропускает.

При отрицательной полуволне положительное напряжение действует на диоде Д2, который при этом проводит, а диод Д1, смещенный в обратном направлении, не проводит. Среднее значение напряжения, полученого на выходе двухполупериодного выпрямителя в 2 раза больше напряжения, полученного на выходе однополупериодного выпрямителя.

Технические параметры выпрямителя:

- Коэффициент пульсаций выпрямителя называется отношение максимального значения переменной составляющей напряжения на выходе выпрямителя к значению его постоянной составляющей на этом выходе. В большинстве применений желательно, чтобы коэффициент пульсаций был как можно меньше. Уменьшение пульсаций достигается путем применения соответствующих фильтров.

- Коэффициент использования трансформатора в выпрямительной схеме , определяется как отношение двух мощностей: выходной мощности постоянного тока и номинальной мощности вторичной обмотки трансформатора.

- Коэффициент полезного действия , это параметр, характеризующий эффективность схемы выпрямителя при преобразовании переменного напряжения в постоянное. КПД выпрямителя выражается отношением мощности постоянного тока, выделяемой в нагрузке, к входной мощности переменного тока. Коэффициент полезного действия определяется для резистивной нагрузки.

-

Частотная пульсация выпрямителя , это основная частота переменной составляющей, существующей на выходе выпрямителя. В случае однополупериодного выпрямителя частота пульсаций равна частоте входного колебания. Фильтрация пульсаций тем проще, чем выше частота пульсации.

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод .

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель .

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети - 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 - 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

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.

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.

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 .

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

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.

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 - V F ). 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 V F , 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.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения .

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:)

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.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

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.

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.

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.

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

Одними из самых распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток, как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

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, Z н =R н. 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 R н. 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 U d 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 R н, то и ток в нем i d , 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.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2 и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую (в этом при желании можно усмотреть проявление одного из диалектических законов – развитие по спирали).

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 U d и среднее значение тока в нем I d .

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и . Поскольку U d считаем заданным, то

Из предыдущего выражения имеем:

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

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

Действующее значение тока первичной обмотки

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

Мощность трансформатора

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

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения U d 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:

Где: l – полупериод π/m;

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

Заменив получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

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 I в = I d /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: