Как поднимается напряжение при выпрямлении

Схемотехника выпрямителей напряжения

В электрических приборах может использоваться постоянное или переменное напряжение. Энергию они получают от аккумулятора, батареи или электрической сети. В последнем случае речь идёт о переменном напряжении. Чтобы электроприбор мог его использовать, оно должно иметь строго определённые характеристики. Если же на выходе нужно получить постоянный ток, тогда устанавливается выпрямитель напряжения. Чтобы его правильно выбрать, необходимо знать, какие бывают выпрямители и как они работают.

Что такое выпрямитель

Это устройство на входе получает синусоидальный сигнал и преобразует его в постоянное напряжение нужной величины. Важно понимать, что результат на выходе в большинстве случаев не является ровной прямой линией. Фактически речь идёт о сигнале, который близок к ней. Его получают в результате сглаживания импульсов.

Обычно выпрямление напряжения происходит в два этапа. На первом поступаемый переменный ток преобразуют таким образом, чтобы он приобрел нужную амплитуду. Преобразования осуществляются с помощью трансформатора. На втором этапе происходит выравнивание колебаний напряжения.

Процесс выпрямления основан на явлении односторонней проводимости. При этом ток в одном направлении может проходить, а в другом — нет. Раньше для этого применяли вакуумные приборы или синхронизирующие машины, но сейчас подобные методы не используют. В современных выпрямляющих устройствах устанавливаются полупроводниковые диоды.

Каждое такое устройство состоит из трёх блоков: трансформатора, выпрямителя и схемы для сглаживания (фильтра). Первый предназначен для регулировки уровня выходного напряжения. У него на входе и на выходе используется переменное напряжение. Выпрямитель отсекает отрицательные импульсы, а на выход подаёт только положительные.

Сглаживание обычно выполняется с помощью конденсатора. При повышении напряжения на его обкладках накапливается заряд, а при снижении он снимается с них. Таким образом, резкие изменения сглаживаются, делая выходное напряжение приемлемым для потребляющего оборудования. Сигнал не выравнивается полностью, но становится пригодным по своим параметрам для используемого электричество оборудования. Качество выполненной работы характеризует коэффициент выпрямления. Обычно это отношение прямого тока прибора к обратному. Но такой расчет приемлем для идеального устройства. Так коэффициент выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Выпрямители, основу которых составляют полупроводниковые элементы, классифицируются по таким признакам, как:

• Мощность на выходе (повышенной, средней и малой мощности).
• Фазность питания (однофазные, трехфазные, многофазные).
• Тип управления вентилями (управляемые, неуправляемые).
• Вид нагрузки (активная, активно-индуктивная, активно-емкостная).

Выбор схемы прибора зависит от нагрузки и формы потребления тока. При этом нужно учитывать такие параметры выпрямителей, как:

• ток;
• напряжение;
• коэффициент мощности;
• пульсация напряжения на выходе;
• коэффициент полезного действия.

Для чего используется выпрямитель

Для передачи и транспортировки электроэнергии удобно использовать переменный ток. Однако электроприборы часто рассчитаны на применение постоянного тока. С целью преобразования переменного тока в постоянный используются различные схемы выпрямления. В частности, преобразовывающие устройства бывают нужны для:

• формирования входного напряжения в высоковольтных силовых установках. Это необходимо, например, для тяговых подстанций, предназначенных для электролиза установок, мощных двигателей постоянного тока.
• автоматической регулировки коэффициента усиления. Преобразующее устройство позволяет получить постоянный сигнал, а также информацию о существующем уровне сигнала и определяет требуемый коэффициент усиления.
• сглаживания слишком резких и иногда случайных колебаний напряжения. Такое выпрямление входного тока применяется и для бытовых, и для производственных целей. Оно гарантирует, что даже при неполадках в питающей сети будут созданы выходные ток и напряжение, обеспечивающие хорошую и правильную работу оборудования.

Выпрямитель тока также используется с целью детектирования модулированных сигналов. Поскольку в обычной жизни и для решения производственных задач электричества требуется всё больше, подстанции стараются модернизировать, чтобы они действовали эффективнее. Иногда это приводит к различным искажениям поступающего переменного напряжения. В таком случае потребителю выгодно самостоятельно устанавливать и использовать выпрямители, которые также называются стабилизаторами.

Преимущества применения

Использование выпрямителей пользователями выгодно по следующим причинам:

• Устанавливаются требуемые основные параметры выходного напряжения.
• Повышается качество поступающего электропитания.
• Обеспечивается высокий коэффициент полезного действия оборудования.
• Снижается пульсация напряжения.
• Выпрямительное устройство можно использовать для однофазной или трехфазной сети в зависимости от его структурной схемы.
• Высокая эффективность преобразующих устройств сочетается с компактностью и относительно небольшим весом. В некоторых моделях предусмотрена даже возможность удаленного управления.
• Выпрямитель в большинстве случаев имеет незначительное реактивное сопротивление.

Однофазные выпрямители

Существуют разные схемы выпрямителей. Они различаются по своей эффективности и экономичности в зависимости от того, какой используется принцип работы выпрямителя.

Диодное устройство

Когда говорят о преобразовании переменного напряжения в постоянное, то обычно это не означает, что на выходе оно будет выражаться горизонтальной прямой линией. Качество обработки сигналов может быть различным в зависимости от того, какой тип устройства используется и как работает это устройство. Гарантируется только то, что выходное выпрямленное напряжение будет иметь один знак. Наиболее простым способом преобразования является использование цепи, состоящей из диода и нагрузки.

Виды диодных выпрямителей работают следующим образом: на клеммы слева поступает переменное напряжение. Диод пропускает только положительные импульсы. Когда поступают отрицательные, на выходе появляется нулевое значение. В результате создается напряжение одного знака. Графики представлены далее.

Выпрямитель с диодом называется простым, но применяется редко, поскольку имеет очевидные недостатки. Здесь теряется более половины энергии, а выходное напряжение резко изменяется, что для некоторых электрических приборов не приемлемо.

Однополупериодный выпрямитель

Схема выпрямителя с конденсатором также считается одной из наиболее простых. Она выглядит следующим образом:

Как можно увидеть на схеме, выпрямитель переменного электрического тока с конденсатором снабжен еще трансформатором, позволяющим получать нужное напряжение. На этом этапе оно остаётся переменным, но меняет амплитуду. Выпрямительное действие основано на работе диода и конденсатора. На обкладки конденсатора попадают только положительные полупериоды синусоиды, поскольку отрицательные не проходят через диод.

На верхнем графике изображена синусоида напряжения, поступающего в выпрямитель на представленной схеме. На нижнем показано, каким будет это напряжение в результате прохождения через диод.

Заряд на обкладках конденсатора растёт при увеличении напряжения. При его уменьшении до нуля он начинает стекать, компенсируя скачки. На выход поступает постоянное напряжение. В схеме применяют для этой цели электролитический конденсатор с большой емкостью. Считается, что лучшие преобразователи для бытовой аппаратуры должны иметь ёмкость не меньше 2200 микрофарад.

Двухполупериодный выпрямитель

Рассматриваемый выпрямитель — это довольно сложное устройство, в схему которого включен трансформатор с двумя вторичными обмотками. Такой преобразователь позволяет использовать не только положительные полупериоды, но и отрицательные.

Выпрямитель со средней точкой работает следующим образом: входное напряжение изменяется по синусоидальному закону. Во время положительного полупериода выпрямление тока будет происходить с использованием того диода, который расположен в верхней части схемы (В1), а при отрицательном — в нижней части (В2).

На нижнем графике показано, какое напряжение образуется после прохождения диодов. Оно не будет принимать отрицательных значений. Теперь его необходимо сгладить. Это выполняется с помощью мощного конденсатора аналогично тому, как реализовано в однополупериодном выпрямителе. Полупроводниковый двухполупериодный выпрямитель обеспечивает на выходе схемы постоянное напряжение со сглаженным сигналом.

Мостовая схема

Этот электронный популярный выпрямитель относится к категории двухполупериодных. Мостовая схема является одной из наиболее распространённых.

При переменном напряжении направление тока меняется по синусоидальному закону. Это происходит дважды в течение одного цикла. При частоте 50 Герц направление меняется 100 раз за секунду. В результате работы диодного моста на выходе будут получены только положительные импульсы напряжения.

На приведённой схеме показано как через диодный мост проходит ток для каждого полупериода. Он выбирает соответствующий маршрут в зависимости от знака напряжения.

Когда на верхней клемме положительное напряжение, ток проходит на провод, ведущий к положительному выходу постоянного тока, выбирая для этого верхнюю правую ветвь диодного моста. Если напряжение отрицательное, то на указанный провод проходит ток с нижней клеммы. Аналогичным образом работает другая ветвь схемы.

При сборке такого выпрямителя нужно учитывать полярность моста. В противном случае можно подключить конденсатор неправильно, что может привести к его порче. Для этого достаточно запомнить следующее правило. В точке, куда смотрят катоды нужно подключать положительный провод, а в той, где аноды — отрицательный.

На выход с диодного моста напряжение будет поступать в виде последовательности импульсов положительной полярности. При его росте конденсатор заряжается, а при уменьшении — отдает заряд, сглаживая импульсы. В результате на выходе схемы образуется постоянное напряжение.

Преобразователь, состоящий из диодного моста, можно сделать самостоятельно из четырёх радиодеталей или воспользоваться готовым. В последнем случае он является цельным элементом с обозначениями на каждом выходе, необходимыми для правильного подключения.

Трёхфазные выпрямители

Рассмотренные выше схемы эффективно работают с однофазным напряжением. Однако на практике часто используется трёхфазное. Можно, конечно, установить преобразователь отдельно для каждой фазы, но при этом поступающая электроэнергия будет использоваться неэффективно. Поэтому применяются разные типы трехфазных выпрямителей.

Полупериодный трёхфазный выпрямитель

Такие электротехнические устройства принимают сигналы от каждой из трёх фаз и от нуля. Схема выглядит следующим образом:

Дополнительно для сглаживания применяется конденсатор. Подобный метод используется и в однофазном выпрямителе, но в трехфазном сглаживание получается более качественным из-за сдвига фаз относительно друг друга.

Мостовая трёхфазная схема

Этот вариант считается наиболее эффективным для устройств, выпрямляющих трёхфазное напряжение.

Получаемый сигнал сглаживают, для чего также применяют конденсатор. За счёт использования трёх фаз выпрямитель считается более качественным по сравнению с однофазным.

Многофазные выпрямители

Обычно в электросети бывает однофазное или трёхфазное электричество. Однако в такой отрасли, как электротехника используют и многофазное напряжение. Речь идёт о ситуации, когда количество фаз больше трёх. В этом случае применяются выпрямители, которые называются N-фазными.

С ними работают также, как и с трёхфазными. Практически всегда для этой цели используют мостовые схемы в нужном количестве. Классификация выпрямителей для этого случая предусматривает устройства, раздельные для каждой фазы, объединённые кольцом или звездой, а также последовательные.

История создания

В 1873 году британским учёным Фредериком Гутри была предложена схема выпрямления, основанная на использовании вакуумных диодов. В следующем, 1874 году, Карл Фердинанд Браун из Германии изобрёл точечный твердотельный выпрямитель.

В 1904 году Джон Флемминг создал качественный ламповый диод, который в дальнейшем служил основой для создания рассматриваемых устройств. Спустя 2 года был придуман кристаллический детектор. В тридцатых годах проводились активные исследования эффектов, которые возникали на границе между кристаллами и металлическими деталями. На их основании в 1939 года было обнаружено явление p-n перехода. Одновременно было раскрыто влияние тех или иных примесей на тип проводимости (электронный или дырочный).

Выпрямительный мост в том виде, в котором он сейчас известен, создан польским электротехником Каролем Поллаком. Позже, но независимо от него, такое же открытие было сделано Лео Гретцем. Иногда в технической литературе используется название, данное в честь последнего — схема Гретца.

В заключение следует сказать, что принцип построения выпрямляющего устройства может использоваться самый разный. Но любой из них обеспечивает на выходе напряжение, которое можно назвать постоянным лишь условно. Выпрямитель выдает однонаправленное пульсирующее напряжение. В большинстве случаев его требуется сглаживать фильтрами.

Видео по теме

Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Выпрямитель напряжения электрической сети – устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный. То есть ток на выходе из прибора получается не постоянный, а пульсирующий.

У постоянного тока напряжение и сила не меняются во времени, а у пульсирующего их значения колеблются в небольших пределах строго в положительной области, тогда как переменный ток захватывает и отрицательные значения. Для приведения пульсирующего тока к постоянному дополнительно применяют фильтры, устанавливаемые в сети после выпрямителя напряжения.

Данное оборудование одновременно является и инвертором на базе электрической машины – то есть может использоваться для обратного преобразования постоянного тока в переменный. Производят полупроводниковые, электровакуумные, механические виды данного устройства.

Сфера применения выпрямителей

В различных схемах выпрямители переменного напряжения применяют в следующих сферах:

• в железнодорожном сообщении, городском и пригородном электрическом транспорте для снабжения током контактных сетей трамваев, метро, троллейбусов, электровозов;
• на генераторных установках электростанций для инициирования выработки тока;
• в химическом производстве на электролитических установках для электрохимического осаждения металлов, а также производства щелочей, хлора, чистого алюминия;
• на металлургических комбинатах для питания силовых кабелей станов металлопроката;
• в альтернативной энергетике для повышения КПД солнечных батарей, беспроводной передачи электроэнергии, для решения других специфических задач отрасли.

Миниатюрные выпрямители напряжения тока встроены в схему блоков питания бытовой техники, в том числе электронной и радиоаппаратуры. Такие устройства входят в состав бытовых адаптеров.

Принцип работы выпрямителей

В основе принципа работы выпрямителей напряжения – свойства полупроводников. Это вещества со средней способность к проведению тока, которая, однако, возрастает при росте температуры рабочей среды. Одно из их свойств – пропускание электронов строго от анода (отрицательного полюса) к катоду (положительному). Переменный ток идет волнами-синусоидами, половина которых находится в положительной области, а другая половина – в отрицательной.

Выпрямитель напряжения в силу описанного свойства отсекает отрицательную часть волны, сокращая интервал ее колебания и время прохождения через устройство. Так получается пульсирующий ток, который ближе к постоянному, чем к переменному. Отрицательная полуволна при этом может инвертироваться, то есть обращаться в положительную. Этот процесс обеспечен конструкцией выпрямителя напряжения, состоящей из четырех вентилей и называемой мостовой.

Технические параметры выпрямителей

Данное оборудование описывается следующими основными техническими характеристиками:

• Мощность. Она определяет пределы допустимой нагрузки на устройство. Ее вычисляют, складывая нормативную мощность подключаемых к сети электроприборов и прибавляя еще 30 %. Единицы измерения – вольт-амперы или ватты. 1 ватт равен от 0,7 до 1 воль-ампера.
• Фазность. Это количество фаз в сети, к которой подключено стабилизирующее устройство. Однофазные выпрямители предназначены только для сетей с напряжением 220 вольт (В), трехфазные можно подключать к системам любой фазности, с напряжением 220 или 380 В.
• Входное напряжение. Это интервальное значение, в пределах которого устройство способно стабилизировать ток. Диапазон составляет примерно от 50 до 120 % номинального вольтажа. Например, при 220 вольтах интервал составит от 130 до 270 вольт, при 380 – от 200 до 450.
• Скорость стабилизации. Другое название – быстродействие. Это время в миллисекундах, необходимое для нейтрализации скачка напряжения. Чем быстрее прибор преобразует ток из переменного в постоянный, тем надежнее, безопаснее и эффективнее он работает.
• Точность стабилизации. Это допустимая погрешность, то есть разница между номинальным значением напряжения тока на выходе и реальным. В идеале она стремится к нулю, но на практике хорошей точностью считают разницу в 10 %, очень хорошей – 7%, отличной – 2 %.

В практическом отношении при выборе стабилизаторов напряжения следует учитывать такие их параметры, как размеры, масса, средства индикации (чаще всего – световые) и элементы контроля. Для крупных моделей важен также способ установки (напольный, навесной или стоечный).

Основные критерии классификации

Для систематизации выпрямителей напряжения используют различные критерии. Совмещенные классификации основаны на следующих пяти важнейших параметрах:

• количество включенных в работу периодов колебания синусоиды переменного тока (одно- и двухполупериодные модели с полным или неполным использованием электроволны);
• количество фаз (основные виды – одно- и трехфазные, описанные выше; реже применяют двухфазные и N-фазные конструкции, предполагающие неограниченное число фаз);
• принципиальный тип устройства (выпрямители с включением электронного моста, с умножением напряжения, а также модели с трансформаторами или без них);
• тип элемента, пропускающего синусоидную электрическую волну (ртутные, вакуумные, механические, тиристорные и диодные полупроводниковые конструкции);
• вид пропускаемой волны (бывают импульсные, аналоговые и цифровые преобразователи).

К перечисленным разновидностям выпрямителей напряжения относятся наиболее их распространенные схемы, описанные ниже.

Одиночный четвертьмост

Более правильное название – однополупериодный выпрямитель. Простейший вариант на основе одного полупроводникового вентиля, в качестве которого выступает диод. Выдают погрешность стабилизации тока более 10 %, из-за чего нуждаются в дополнении фильтрами для сглаживания пульсирующего тока до постоянного. По этой причине цепь выходит слишком сложной и требует большего питания, так что в промышленности такие модели применяют редко. Зато они удобны для компьютерной техники с частотой синусоид порядка 10 герц. Другие минусы – малая мощность, постепенное намагничивание в процессе работы, частая пульсация. Главный плюс – дешевизна.

Два четвертьмоста параллельно

Такая схема выпрямителей напряжения представляет собой простое механическое усложнение предыдущей. Для ее сборки берут два четвертьмоста с одинаковыми характеристиками (временем прохождения волны, мощностью и т. д.). Их подсоединяют в цепь так, что положительная полуволна разделяется еще на две части, каждая из которых проходит через один из четвертьмостов пары в одно и то же время. Таким образом, скорость стабилизации переменного тока возрастает, а ее погрешность сокращается примерно на 30-40 %, так как частота пульсация половины полуволны, конечно, ниже, чем у целой полуволны. Но основные недостатки четвертьмостов остаются и здесь.

Два полных моста последовательно

Это относительно редкая двухфазная схема выпрямителей напряжения. Она включает два полных диодных моста, каждый из которых состоит из четырех силовых диодов. Один мост может быть анодным и пропускать положительную полуволну переменного тока, другой – катодным, через него пойдет отрицательность половина синусоиды. Мосты подключены параллельно, так что обе части волны проходят одновременно. При этом каждая из половин разделяется на четыре потока, каждый из которых пульсируют значительно слабее. А общее электрическое сопротивление контура при такой конструкции возрастает в четыре раза, также снижая пульсацию тока на выходе из системы.

Мостовая схема

Это конструкция двухполупериодного выпрямителя напряжения. Она состоит из трансформатора и двух диодов, что позволяет проводить электричество в течение обеих частей цикла переменного тока. То есть одна полуволна идет через один диод, в то же самое время другая – через другой, при этом по одному полупроводниковому элементу течет положительная часть синусоиды, а по-другому – отрицательная. Такая система позволяет снижать амплитуду колебаний переменного тока в два раза. Технически это достигается подключением диодов ко вторичной обмотке трансформатора, при этом обмотка имеет центральный отвод и обеспечивает высокое сопротивление входящему току.

Схема из 12 диодов

Еще одна разновидность параллельных схем выпрямителей электрического напряжения. Такая конфигурация достаточно необычна, поэтому она распространена меньше других видов контуров. Двенадцать одиночных диодов подключены к цепи параллельно, а это означает, что полуволна синусоиды переменного тока, входящего в сеть, разделяется на 6 или 12 параллельных потоков. На 6 – если конструкция позволяет инвертировать отрицательную полуволну, на 12 – если отрицательная полуволна просто отсекается. В итоге колебания пропущенной через контур полуволны стремятся к нулю, и на выходе получается постоянный ток с минимальными пульсациями или вообще без них.

Три полных моста последовательно

Это еще один вариант трехфазной последовательной схемы выпрямителя напряжения тока. Она состоит из 12 диодов, сгруппированных в три полноценных моста по четыре диода каждый. Плюсы такой конструкции в том, что общий уровень сопротивления в системе в девять раз выше значения этого параметра для отдельного одиночного диода. Сопротивление на каждом мосте в три раза выше такового на каждом диоде. Это позволяет снизить амплитуду колебаний входящей волны, чтобы дальнейшие усилия по нормализации пульсирующего тока были минимальны. Устройство выдает ток с высокой силой и напряжением, что важно для электрогенераторов высокой мощности.

Схема Ларионова

Это трехфазная мостовая схема выпрямителя тока, разработанная советским профессором А. Н. Ларионовым в 1924 году. Она состоит из шести диодов и нормализует положительные полуволны, инвертируя и стабилизируя также и отрицательные части синусоид переменного тока. Шесть диодов организованы в мост и двух трехфазных групп: нижней катодной и верхней анодной. Отрицательный ток идет по катодной группе, положительный – по анодной. Каждая полуволна разделяется на три потока, поэтому пульсация к выходу из контура значительно снижается, иногда даже до нуля, то есть до идеального постоянного тока. При этом трансформатор в процессе работы не намагничивается.

Схема Миткевича

Более ранняя версия трехфазной мостовой схемы выпрямителя напряжения предложена в 1901 году российским, позднее советским профессором В. Ф. Миткевичем. В самом простой варианте она состоит из трех четвертьмостов (то есть, одиночных силовых диодов), соединенных параллельно. По сути, она представляет собой половину схемы Ларионова и работает, как правило, с положительной полуволной, просто отсекая отрицательную. Положительная часть синусоиды разделяется на три потока, что закономерно снижает пульсацию, хотя и не убирает ее полностью – небольшие фильтры все же нужны. Диоды подключаются к цепи через вторичную обмотку трехфазного трансформатора.

Дополнительные сведения

Иногда схему выпрямителей напряжения дополняют гальваническими развязками, включающие накопительные элементы для аккумуляции энергии. Такая модификация улучшает характеристики тока на выходе из стабилизатора: накопленная мощность позволяет частично снизить колебания пульсирующего тока. Кроме того, подача выпрямленного тока становится непрерывной: если модель не инвертирует отрицательную полуволну, то во время ее прохождения тока на выходе нет.

А применение гальванических развязок с батареями и конденсаторами дает возможность во время простоя подавать на выход ток, накопленный, пока проходила положительная полуволна. Продолжительность таких периодов – миллисекунды, но для электроснабжения это значительные временные промежутки. Описанная схема выпрямителя актуальна для усилителей напряжения, в которых важно отсутствие подобных технологических простоев.

Как работает выпрямитель напряжения

Выпрямитель напряжения – это устройство для преобразования переменного электричества в постоянный ток. В его основе находится полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость. Такими приборами служат диод или тиристор. Если существует небольшая мощность, несколько сотен Ватт, используется однофазный выпрямитель. Они применяются в самых различных электрических устройствах.

Существуют преобразователи, рассчитанные на тысячи и более Ватт. Здесь используются другие элементы электроники, рассчитанные на такие высокие мощности. В данной статье будут рассмотрены все типы выпрямителей тока, зачем они нужны и по каким принципам они функционируют. В качестве дополнения материал содержит несколько видеороликов и одну научно-популярную статью.

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.

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.

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;
• 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.

Будет интересно➡ История создания «лампочки Ильича»

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.

[stextbox весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.[/stextbox]

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».

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U₂ влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U_н.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f₁ с сетью питания U₁, I₁, и нагрузочную цепь с U_н, I_н одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки. В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

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.

Будет интересно➡ Как работает потенциометр?

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).

[stextbox 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.[/stextbox]

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

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.

Будет интересно➡ Квантовый эффект холла

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. 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.