Выпрямить напряжение 220 в

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.

Выпрямитель напряжения электрической сети

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.

Выпрямитель напряжения

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.

Выпрямитель

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).

Технические параметры выпрямителей

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.

схема выпрямителя напряжения

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.

выпрямитель В-24

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.

Типы выпрямителей переменного тока

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.

Типовая схема однополупериодного выпрямителя

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

Однополупериодное выпрямление

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.

Печатная плата простейшего зарядника сотового телефона

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.

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 dropVF). 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.

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:)

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.

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.

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».

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.

Один из выпрямителей

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.

Структурная схема устройства

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.

Основные параметры

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.

Диодный выпрямитель

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.

Работа диодного выпрямителя

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:

Однополупериодный выпрямитель

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.

Преобразование напряжения

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.

Двухполупериодный выпрямитель

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).

Обработка входного сигнала

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.

Мостовая схема

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.

Схема работы диодного моста

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:

Полупериодный трёхфазный выпрямитель

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.

График напряжения

Мостовая трёхфазная схема

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

Трёхфазная мостовая схема

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.

Схема многофазного двухполупериодного выпрямителя

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