Выпрямитель напряжения
Выпрямитель напряжения – это не совсем правильное сочетание слов, относящееся к схемам на различных выпрямителях тока. К последним относятся, прежде всего, диоды. Ранее использовались кенотроны различной конструкции.
Из истории вопроса
Выпрямить удаётся исключительно ток, впрочем, если применить слово к напряжению, профессионалу термин останется понятым. Электроны способны двигаться по проводу в обоих направлениях, в зависимости от разницы потенциалов. Происходящее называется переменным током, током переменного направления. Чтобы электроны постоянно двигались прямо и не сворачивали, требуется выпрямитель.
Следовательно, определение уточняется. Выпрямителем (напряжения) тока называется прибор, заставляющий электроны в цепи двигаться лишь в единственном направлении. Присутствует разница между профессиональной средой и любителями:
- Ученикам в школе рассказывают, что прямым называется постоянный ток. На уровне класса физики не происходит деления. Возможно, чтобы не путать учащихся.
- Профессионалы импульсы одной полярности уже называют выпрямленным напряжением (током). В этом свете простой диодный вентиль без сглаживающего фильтра считается выпрямителем в полном смысле слова.
Таким образом, словосочетание, указанное выше, допустимо трактовать по-разному. Если требуется постоянный ток, как в аккумуляторе, но из розетки, искомый прибор полагается называть:
- Адаптер постоянного тока.
- Блок питания постоянного тока.
- Преобразователь постоянного тока.
Но не выпрямитель. Под последним понимается просто срезание отрицательной части тока и напряжения. Обработке подвергаются оба параметра, вытекая из закона Ома для участка цепи. Переозвучим: если на концах цепи без разрывов присутствует напряжение, потечёт ток. Единственное исключение из правила даёт конденсатор. В традиционном физическом классе не рассматривается при упоминании законов Ома. Зато в высшей школе преподают, что ёмкостное сопротивление изменяет сдвиг фаз между напряжением и током.
Обобщая: выпрямитель выпрямляет сразу два параметра, ток и напряжение. В первом случае присутствует однонаправленное движение электронов, во втором – градиент разницы потенциалов постоянен. Выпрямляющие свойства в противовес общественному мнению первоначально открыты в полупроводниках. Электронные лампы изобрели намного позднее в результате изысканий Томаса Эдисона и прочих (см. Лампа накаливания).
Открытие по полупроводникам сделано в 1874 году Карлом Фердинандом Брауном вскоре после перебазирования к новому месту назначения научного руководителя Георга Квинке. Университет не нашёл подходящей должности, открыватель эффекта выпрямления начинает преподавать в средней школе. Обширный досуг предоставляет Брауну достаточно времени для научной деятельности, в свет выходит первая работа по искусственным и натуральным окислам меди, платины, нейзильбера, пирита, халькопирита, галенита.
Исследование тетраэдра из блеклой породы показало анизотропность найденных свойств. Подводя к каждой из 8 граней серебряную проволоку, учёный измерял ток при помощи мультипликатора (гальванометр). Напряжение вольтова столба постоянно перепроверялось, памятуя печальный опыт Георга Ома. Требование возникло, когда учёный обнаружил нелинейность проводимости контакта металл-кристалл. Сегодня эту половинку параболы видим на любой вольт-амперной характеристике диода. Собственно, так и обнаружились выпрямляющие свойства минералов. Остаётся лишь сожалеть, что перевод работы на русский язык отсутствует, а английский доступен лишь за солидную сумму денег, но упорные читатели пусть покоряют немецкий!
Ламповые выпрямители
Согласно статистике на момент середины 70-х годов из всей производимой в СССР энергии примерно четверть требовалось преобразовать в постоянный ток. Для действия потребовались дешёвые и качественные приборы, нежели предложенные потребителям сталинскими заводами.
Уже выедены были многочисленные технические решения, но большая часть электрических схем реализовывалась на лампах: диодах, триодах и пр. На рисунке представлены застойные варианты выпрямителей, взятые из книги Мазеля К.Б. издания 1951 года. Безусловным достоинством схем признана понятность читателю. Описание однополупериодного лампового выпрямителя:
- Переменный ток подаётся на трансформатор с двумя вторичными обмотками, одна предназначена целиком для подогрева катода (на рисунке – справа, дуга).
- Стрелка с направлением тока не вводит в заблуждение: электроны движутся внутри вакуума в противоположном направлении.
- Цепь катода включена в заземлённый контур, чтобы замкнуть путь для выходного тока. Электроны, разогревающие активный слой, сюда не ответвляются в силу очевидных причин.
- На выходе стоит полосовой фильтр из индуктивности и ёмкостей, служащий для отсеивания ненужных гармоник.
Двухполупериодный действует аналогичным образом, вместо диодной лампы используется двуханодный кенотрон. В результате появляется возможность повышения КПД. Выходной ток снимается через среднюю точку, где всегда течёт в направлении, указанном на рисунке. Схема представляет аналог диодного моста.
Первый вариант схемы используется для удешевления конструкции и уменьшения габаритов. Одновременно сильнее расходуется запас батарейки. Причина – выпрямляется лишь единственный полупериод колебания входного напряжения питания. На выходе фильтра, как правило, сохраняется остаточная частота пульсаций, совпадающая с сетевой. Уже в сталинские времена схемы иногда оборудовали селеновыми или купроксными полупроводниковыми диодами. Напомним, на основе оксида меди в 1874 году Карл Фердинанд Браун открыл выпрямляющие свойства неметаллических элементов (см. Полупроводниковый диод).
Двухполупериодная схема прежде считалась распространенной для питания маломощных радиоприёмников. Частота пульсаций выходит удвоенной, зато амплитуда меньше, нежели в однополупериодной схеме при эквивалентных фильтрах гармоник. Большой минус: число витков рабочей обмотки приходится увеличивать, чтобы достичь схожего коэффициента передачи каскада. Следовательно, схема более высоковольтная.
Выпрямитель на лампах с удвоением напряжения
Схема с умножением напряжения (вдвое) собирается на двух кенотронах (ламповых диодах). Это станет платой за увеличенный вольтаж. Как легко увидеть из рисунка, кенотроны включены навстречу, за счёт чего первый пропускает ток в положительном направлении, а второй – в отрицательном. Несомненный плюс схемы: трансформатор приобретает меньшие размеры, а вторичная обмотка находится под меньшим напряжением. Цепи подогрева раздельные для обеих ламп, иного не дано: катод кенотрона закорачивался бы на анод.
Пунктиром здесь показана схема снятия напряжения без его удвоения, допустимо использовать с потерей КПД системы. Недостаточность фильтрации в современной электронике легко повысить, применяя схемы, обычные для импортной техники, одна представлена на рисунке. Это типичное техническое решение для стиральных машин, требующее присутствия в доме системы заземления TN-S. Рабочий и защитный нулевые проводники не должны соприкасаться в любой точке. Это обеспечивает качественную фильтрацию помех по фазе и нейтрали одновременно, что в конечном итоге продлит жизнь электроники в доме.
Частота пульсация в схеме с удвоением удвоенная, используются оба полупериода. Кенотроны возможно заменить на полупроводниковые диоды без потери работоспособности схемы. Рекомендуется обеспечить раздельное питание катодов кенотрона, дополнительная особенность: при непосредственном заземлении одного конца вторичной обмотки нейтраль выходного напряжения соединять с грунтом уже нельзя. Лучше такое заземление выполнять через конденсатор ёмкостью 500 – 1000 мкФ.
Простые диоды возможно заменить на двуханодные кенотроны с катодами, электрически изолированными от единой нити накала. Это делается, когда есть общий (на прибор) питающий трансформатор. Тогда нить накала питается из общей сети (питания накала) и отделяется от остальной части бареттером (вакуумным ограничителем тока). В остальном схема мало отличается от представленной выше.
Полупроводниковые схемы выпрямителей
Полупроводниковый выпрямитель с учетверением напряжения порадует любителей домашних экспериментов. При помощи такой штуковины удастся сильно намагнитить металлический стержень, как Араго в 1820 году (о чем известно из его собственной заметки, опубликованной в томе XV журнала Annales de chimie et de physique). За четыре года до изобретения Вильяма Стерджена! Араго наблюдал действие проволоки с электрическим током на металлические опилки, но не придал наблюдению оттенка практичности или коммерциализации.
Схема простая, но демонстрирует недостаток – нужно где-то набрать четыре высоковольтных конденсатора. Напряжение каждого указано на изображении, и этим допустимо руководствоваться при отборе. Конденсаторы не должны быть электролитическими, знак на контактах поменяется. Плюс и минус указаны только для иллюстрации образования выходного напряжения.
На положительном полупериоде заряжается нижняя пара ёмкостей, а на отрицательной – верхняя. Конденсаторы в каждой паре включены параллельно (см. параллельное включение конденсаторов) и последовательно (см. последовательное включение конденсаторов) одновременно. Смотря по какому полупериоду пришло время. Номиналы лучше брать одинаковыми.
Кенотроны и твердотельные выпрямители
Выше намеренно не приводятся все известные схемы на твердотельной электронике, часть увидите в теме диодный мост. Найдутсятам и трёхфазные технические решения, в том числе принадлежащие Ларионову. Важнее рассмотреть критерии выбора кенотронов. Тематика древняя, литературу найти сложно среди интернетского завала, появляется смысл остановиться подробнее на старой элементной базе.
В аудиозаписи и на концертах ламповые усилители популярны и поныне. Стоят немалых денег. Купить сумеет не каждый, а вот собрать собственноручно… Артисты утверждают, что звук получается насыщенный объёмный. Авторам приходилось даже слышать, что, мол, от вибраций колонок в лампах электроны летят по-особенному. Оттого и звучание столь своеобразное.
- Важным параметром считается максимально допустимое обратное напряжение. Как в случае с твердотельной техникой, способно повредить: образуется лавинный пробой за счёт эмиссии электронов с анода. Сопровождающийся значительной температурой, сожжёт лампу.
- Внутренним сопротивлением называется величина, обратная проводимости лампы в открытом состоянии. Определяется из вольт-амперной характеристики прибора (см. рис.). Как для обычного диода потребуется разницу потенциалов поделить на ток. Значения берутся по выбранной рабочей точке, либо по максимуму входного напряжения.
- Максимальные ток в импульсе и напряжение способны превышать средние выпрямленные значения. Потребуется убедиться, что лампа не сгорит в имеющихся условиях.
- Регулятор напряжения
- Преобразователь напряжения
- Стабилизатор напряжения
- Реле напряжения
Разновидности и принцип работы выпрямителей напряжения
Исторически сложилось, что электроэнергию выгоднее и дешевле получать в виде переменного тока, вырабатываемого генераторами силовых станций. Такое представление позволяло эффективно передавать ее на огромные расстояния. На приемном конце она преобразовывалась в удобное для потребителей однофазное напряжение и в этом виде поступала в линию питания. Однако внутренние схемы большинства современных электроприемников нуждаются в постоянном питании, величина которого выбирается из стандартного ряда значений 5, 9, 12, 24, 36 или 48 Вольта. Для их получения в схему электронных приборов пришлось вводить специальный выпрямитель напряжения (на 24 Вольта, например).
Принцип работы выпрямителя
Для ясного понимания принципа работы выпрямителя постоянного тока сначала придется учесть, что для выпрямления переменного напряжения применяют полупроводниковые элементы (диоды). Их отличительной особенностью является возможность проводить ток только в одну сторону. Благодаря этому свойству, подаваемое на них переменное напряжение на выходе будет иметь вид положительных пульсаций со срезанными нижними половинками полупериода колебаний. При положительных полуволнах через диод будет протекать ток, являющийся основой для формирования постоянного питания. Для его получения необходимы дополнительные электрические элементы.
Любой выпрямитель тока имеет в своем составе следующие основные узлы:
- Понижающий трансформатор, преобразующий 220 Вольт в нужную величину;
- набор из диодов (мостик);
- сглаживающий (фильтрующий) конденсатор;
- стабилизатор, выполненный на основе транзисторных элементов.
Известно множество вариантов электронных выпрямителей, отличающихся числом и способом подсоединения диодов, а также своими рабочими параметрами. Особый интерес представляют различные подходы к включению в схему диодных элементов. Стабилизирующий каскад выпрямительного устройства собирается на транзисторных ключах, называемых электронными реле.
Виды выпрямителей
В зависимости от способа включения полупроводниковых диодов все выпрямители переменного тока подразделяются на следующие виды:
- однополупериодные (полуволновые);
- двухполупериодные (полноволновые со средней точкой или схемы Миткевича);
- мостовые или выпрямители Гретца;
- выпрямители с удвоением рабочего напряжения и другие, менее распространенные схемы.
Однополупериодное включение – самые простой способ, используемый для выпрямления переменного тока. Другое название – нулевая выпрямительная схема.
С помощью устройств этого класса удается получить только пульсирующий (используемый лишь наполовину) выходной ток. Схемы, построенные на однополупериодном принципе, отличаются низкой эффективностью преобразования и применяются крайне редко. Их двухполупериодные аналоги имеют в своем составе два диода и обеспечивают выпрямление полуволн обеих полярностей. Они отличаются большей эффективностью и применяются в простейших блоках питания.
Однофазные мостовые выпрямители, так называемые схемы Гретца на 4-х диодах, характеризуются высоким КПД, под которым понимается эффективность использования полученной от трансформатора мощности.
Напряжение на выходе полупроводниковых выпрямительных мостов является хорошей основой для последующего сглаживания и стабилизации — получения постоянного тока.
Они широко применяются в устройствах повышенной энергоемкости типа генераторов с выходными напряжениями от десятков до сотен Вольт. К их достоинствам относят:
- низкое обратное напряжение (доли Вольта);
- небольшие габариты;
- высокий КПД использования трансформатора (в сравнение со схемой Миткевича).
Существенный недостаток мостовых схем – в два раза большее падение напряжения на диодах, что вынуждает при их разработке выбирать выходные параметры трансформатора с запасом. Эта часть полезной мощности теряется затем на переходах четырех диодов.
Типы выпрямителей по функциональным возможностям
По своему назначению и функциональным возможностям известные образцы выпрямителей делятся на однофазные и трехфазные устройства. Первые используются в электросетях многоквартирных и частных домов и предназначены для питания бытовой аппаратуры. Вторые представляют собой электронный модуль из 3-х однотипных узлов, изготавливаемых по одной из следующих схем:
- однотактные выпрямители;
- двухтактные системы;
- комбинированные модули: с двумя трехфазными обмотками с параллельным и последовательным включением диодов.
Применение однотактных схем трансформации ограничено из-за малой эффективности выпрямленного напряжения. Двухтактные их аналоги широко применяются в электродвигателях постоянного тока и других электрических машинах, содержащих в своей конструкции щеточные узлы. Помимо классических выпрямителей, предназначенных для установки в коллекторные двигатели, существуют схемы, которые позволяют повысить напряжение на выходе в несколько раз. Частным случаем таких решений является выпрямитель с удвоением напряжения.
Схема выпрямителя с удвоением напряжения лишь деталями отличается от уже рассмотренных вариантов. Такие устройства принято называть умножителями, которые легко собираются своими руками.
Основные соотношения при расчете выпрямителя
Для расчета 2-хполупериодного выпрямителя, выбранного в качестве примера, потребуется знать следующие исходные данные:
- входное напряжение, действующее во вторичной обмотке трансформатора;
- ток в диодах, протекающий в цепи с учетом нагрузки;
- емкость электролитического конденсатора, выбираемая, исходя из заданного коэффициента сглаживания пульсаций;
- максимальное напряжение на нем.
Важно учитывать падение напряжения на твердотельных диодах, находящихся в открытом состоянии.
Расчетные соотношения для этого случая представляются в следующем виде.
- Ток в обмотке трансформатора по величине равен максимальному его значению в нагрузке (Iобм= Iнагр).
- Напряжение во вторичной обмотке в режиме холостого хода составляет U2≈ 0,75Uнагр.
- Выпрямительные диоды рекомендуется брать со следующими параметрами: Uобр > 3,14Uнагр, а Iмакс > 1,57Iнагр.
Выпрямители широко применяются в самых различных областях электротехники и электроники, включая современные системы управления. Поэтому так важно разобраться с тем, что такое выпрямители тока и какие их разновидности используются при построении самых эффективных схем.
Выпрямители (часть 1). виды и устройство. структура и особенности
Принцип работы трехфазного выпрямителя
Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах особого полупроводникового элемента – германиевого или кремниевого диода. При протекании через него переменного тока положительная полуволна свободно «проходит» через рабочий электронный переход, смещенный в прямом направлении. При воздействии отрицательной полуволны электроны встречают препятствие в виде потенциального барьера, так что ток через переход течь не может.
В простейших схемах включения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это заметно снижает преобразуемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2-хполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.
15.4 Управляемые выпрямители
Часто от выпрямителей требуется не только преобразовать переменное напряжение в постоянное, но и плавно изменять значение выпрямленного напряжения. Это можно осуществить либо в цепи переменного тока (регулируемые трансформаторы, реостаты, имеющие низкий КПД); либо в цепи выпрямленного тока, что более экономично и удобно. Управляемыми выпрямителями называют выпрямители, у которых управление выпрямленным током (напряжением) происходит в процессе выпрямления.
Основными элементами современных управляемых выпрямителей являются транзисторы и тиристоры. Ниже на рисунке 15.19представлена схема простейшего однофазного однополупериодного выпрямителя на тиристоре. Управление напряжением на выходе управляемого выпрямителя сводится к управлению моментом открытия (включения) тиристора. Это осуществляется путём сдвига фаз между анодным напряжением тиристора и напряжением, подаваемым на управляющий электрод тиристора. Такой сдвиг фаз называют углом управления и обозначают α, а способ управления называют фазовым.
Рисунок 15.19 — Схема (а) и диаграммы изменения во времени напряжений и тока (б)
однофазного однополупериодного управляемого выпрямителя.
Управление значением угла α осуществляют с помощью фазовращающей R2С – цепи, которая позволяет изменить угол управления от 0 до 180 . При этом значение выпрямленного напряжения может изменяться от наибольшего его значения до нуля (для α = 0 – 90 значение выпрямленного напряжения изменяется от наибольшего значения до его половины). Резистором R1 изменяют напряжение, подаваемое на управляющий электрод тиристора. Диод обеспечивает подачу на управляющий электрод положительных однополярных импульсов.
Оптимальной формой управляющего сигнала для тиристора является короткий импульс с крутым фронтом. Для формирования таких импульсов и их сдвига во времени служат специальные импульсно-фазовые системы управления. Изменение угла управления осуществляют ручным или автоматическим способом, что обеспечивает изменение выпрямленного напряжения в необходимых пределах.
На рисунке 15.20 изображена схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым блоком управления (ИФБУ).
Рисунок 15.20 — Схема однофазного двухполупериодного управляемого выпрямителя с импульсно-фазовым управлением.
Сдвиг управляющих импульсов по отношению к анодному напряжению производится вручную с помощью мостового фазовращателя. Выходное напряжение фазовращателя поступает на вход усилителей-ограничителей, причём, отрицательные полуволны этого напряжения срезаются VD1, VD2. Усиленное напряжение дифференцируется цепочками С1R1, С2R2; а диоды VD3, VD4 делают их однополярными (положительными).
Трёхфазные управляемые выпрямители – это выпрямители средней и большой мощности. Работу такого выпрямителя иллюстрирует схема выпрямителя с нулевым выводом. Изменение угла управления в сторону уменьшения или увеличения приводит к изменению средних значений выпрямленных напряжений и тока.
Рисунок 15.21 — Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б) трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом.
На рисунке 15.22 приведена схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя. В него входят шесть тиристоров.
Рисунок 15.22 — Схема трёхфазного мостового управляемого выпрямителя
Тиристоры VS1 – VS3 объединены в катодную группу, а тиристоры VS4 – VS6 — в анодную группу. Так же как и в неуправляемом выпрямителе здесь одновременно работают два тиристора: один – из анодной группы, другой – из катодной группы. При этом управляющий сигнал, подаваемый на тиристор катодной группы, опережает на 180 управляющий сигнал, поступающий на тиристор анодной группы. В отличие от трёхфазного управляемого выпрямителя с нулевым выводом режим «прерывистого» тока возникает при
Схемы сетевых фильтров импульсных и высокочастотных помех: 4 типа конструкций
Правило №2: у качественных ИБП в конструкции блока должен работать надежный фильтр в/ч сигналов.
Важно понимать, что импульсы высокой частоты играют двоякую роль:
- в/ч помехи могут приходить из бытовой сети в блок питания;
- импульсы высокочастотного тока генерируются встроенным преобразователем и выходят из него в домашнюю проводку.
Причины появления помех в бытовой сети:
- апериодические составляющие переходных процессов, возникающие от коммутации мощных нагрузок;
- работы близкорасположенных приборов с сильными электромагнитными полями, например, сварочных аппаратов, мощных тяговых электродвигателей, силовых трансформаторов;
- последствия погашенных импульсов атмосферных разрядов и других факторов, включая наложение высокочастотных гармоник.
Помехи ухудшают работу радиоэлектронной аппаратуры, мобильных устройств и цифровых гаджетов. Их необходимо подавлять и блокировать внутри конструкции импульсного блока питания.
Основу фильтра составляет дроссель, выполненный двумя обмотками на одном сердечнике.
Дроссели могут быть выполнены разными габаритами, намотаны толстой или тонкой проволокой на больших или маленьких сердечниках.
Начинающему мастеру достаточно запомнить простое правило: лучше работает фильтр с дросселем большого магнитопровода, увеличенным числом витков и поперечным сечением проволоки. (Принцип: чем больше — тем и лучше.)
Дроссель обладает индуктивным сопротивлением, которое резко ограничивает высокочастотный сигнал, протекающий по проводу фазы или нуля. В то же время оно не оказывает особого влияния на ток бытовой сети.
Работу дросселя эффективно дополняют емкостные сопротивления.
Конденсаторы подобраны так, что закорачивают ослабленные дросселем в/ч сигналы помех, направляя их на потенциал земли.
Принцип работы фильтра в/ч помех от проникновения на блок питания входных сигналов показан на картинке ниже.
Между потенциалами земли с нулем и фазой устанавливают Y конденсаторы. Их конструктивная особенность — они при пробое не способны создать внутреннее короткое замыкание и подать 220 вольт на корпус прибора.
Между цепями фазы и нуля ставят конденсаторы, способные выдерживать 400 вольт, а лучше — 630. Они обычно имеют форму параллепипеда.
Однако следует хорошо представлять, что ИБП в преобразователе напряжения сами выправляют сигнал и помехи им практически не мешают. Поэтому такая система актуальна для обычных аналоговых блоков со стабилизацией выходного сигнала.
У импульсного блока питания важно предотвратить выход в/ч помех в бытовую сеть. Эту возможность реализует другое решение
Как видите, принцип тот же. Просто емкостные сопротивления всегда располагаются по пути движения помехи за дросселем.
Третья схема в/ч фильтра считается универсальной. Она объединила элементы первых двух. Y конденсаторы в ней просто работают с двух сторон каждого дросселя.
У самых дорогих и надежных устройств используется сложный фильтр с дополнительно подключенными дросселями и конденсаторами.
Сразу же показываю схему расположения фильтров на всех цепочках блока питания: входе и выходе.
Обратите внимание, что на кабель, выходящий из ИБП и подключаемый к электронному прибору, может быть дополнительно установлен ферритовый фильтр, состоящий из двух разъемных полуцилиндров или выполненный цельной конструкцией
Примером его использования является импульсный блок питания ноутбука. Это уже четвертый вариант применения фильтра.
Что такое сварочный выпрямитель
Оборудование представляет собой преобразовательный блок с вольтамперной регулировкой. У сварочного выпрямителя на выходе два провода с клеммами: плюс и минус. При подключении одной из них к электроду, а другой к металлу возникает высокотемпературная электрическая дуга, образующая ванну расплава.
Советуем изучить — Электростатическая окраска — устройство и принцип действия
Сварочные выпрямители разделяют по уровню сложности, дополнительным функциям. Но принцип устройства у всех одинаковый: помимо трансформатора, создающего необходимое напряжение, в схему включают полупроводники, пропускающие только положительную часть синусоиды переменного тока.
Действие схемы
Действие схемы 3-фазного полностью контролируемого мостового выпрямителя описывается в этой странице. Трехфазный полностью контролируемый мостовой выпрямитель может быть сконструирован, используя шесть тиристоров. Можно видеть, что напряжение фазы А является наивысшим из трех фазных напряжений, когда Θ находится между 30° и 150°.
Также можно видеть, что напряжение фазы В является наивысшим трехфазных напряжений, когда Θ находится в между 150 и 270° и что напряжение фазы С является наивысшим из фазных напряжений, когда Θ находится между 270 и 390° или 30° в следующем цикле.
Напряжение фазы А является самым низким трехфазных напряжений, когда Θ находится между 210 и 330°. Можно также видеть, что напряжение фазы В является самым низким из фазных напряжений, когда Θ находится между 330 и 450° или 90° в следующем цикле, и что напряжение фазы С является самым низким, когда Θ находится 90 и 210°.
Если используются диоды, диод d1 вместо s1 проводил бы напряжение от 30 до 150°, диод d3 проводил бы от 150 до 270° и диод d5 – от 270 до 390° или 30° в следующем цикле. Таким же образом, диод d4 проводил бы от 210 до 30°, диод d6 – от 330 до 450° или 90° в следующем цикле, и диод d2 проводил бы от 90 до 210°. Положительный рельс выходного напряжения моста соединяется с наивысшими сегментами конверта трехфазных напряжений и отрицательного рельса выведенного напряжения к самым низким сегментам конверта.
На любой момент кроме переходных периодов, когда электрический ток перемещен от одного диода к другому, только одна из следующих пар работает в каждый момент.
| Промежуток Θ | Работающий диод |
| 30 до 90 | D1 и D6 |
| 90 до 150 | D1 и D2 |
| 150 до 210 | D2 и D3 |
| 210 до 270 | D3 и D4 |
| 270 до 330 | D4 и D5 |
| 330 до 360 и 0 до 30 | D5 и D6 |
Если используются тиристоры, их включение может быть задержано выбором нужного угла открытия. Когда тиристоры открываются при угле 0, выход из мостового выпрямителя такой же, как из схемы с диодами. Например, видно, что d1 начинает проводить только после Θ = 30°. Действительно, он может начать проводить только после Θ = 30°, так, как он реверсивно направлен до Θ = 30°. Смещение через d1 становится равным 0, когда Θ = 30° и диод d1 начинает становиться прямонаправленным только после Θ = 30°.
Когда Va(Θ)= E*sin (Θ), диод d1 обратно направлен перед Θ = 30° и прямонаправлен когда Θ = 30°. При нулевом угле открытия тиристоров s1 открывается, когда Θ = 30°. Это означает, что если синхронизирующий сигнал нужен для открытия s1, то сигнальное напряжение Va(Θ) отстает на 30° и если угол открытия Θ, тиристор s1 запущен, когда Θ = α + 30°. Предоставляют, что проводимость непрерывна, следующая таблица представляет пару тиристоров в проводимости в любой момент.
| Промежуток Θ | Работающий диод |
| α + 30 до α + 90 | S1 и S6 |
| α + 90 до α + 150 | S1 и S2 |
| α + 150 до α + 210 | S2 и S3 |
| α + 210 до α + 270 | S3 и S4 |
| α + 270 до α + 330 | S4 и S5 |
| α + 330 до α + 360 и α + 0 до α + 30 | S5 и S6 |
Работа мостового выпрямителя иллюстрируется с помощью апплета, который следует за этим параграфом. Вы можете установить угол открытия в рамках 0°
Апплет показывает пару тиристоров в проводящем состоянии в выбранный момент. Путь электрического тока показывается в красном цвете на схеме. Мгновенный угол может быть набран в его текстовом поле, или изменен перемещением кнопки линии прокрутки. Вращающаяся векторная диаграмма весьма полезна, чтобы иллюстрировать, как работает схема. Как только угол открытия установлен, позиция вектора для угла открытия установлен.
Выпрямитель трехфазный большой мощности
Затем с изменением мгновенного угла проводящая пара соединяется с толстыми оранжевыми дугами. (на рисунке) Один способ представить себе – вообразить две щетки, которые являются 120° шириной и устройство в фазе соединенное с поведением щеток.
Щетка, которая имеет “угол открытия” написано рядом она действует как щетка соединенная с положительным рельсом и другая действует как будто бы она соединена с отрицательным рельсом. Эта диаграмма иллюстрирует, как схема выпрямителя действует как коммутатор и преобразует переменный ток в постоянный. Выходное напряжение определяется амплитудой фазового напряжения, являясь единым значением.
Однофазное полноволновое устройство
На рисунке показаны однофазный полноводной управляемый выпрямитель с нагрузкой R.
Однофазный полностью управляемый выпрямитель позволяет преобразовывать однофазный AC в DC. Обычно это используется в различных приложениях, таких как зарядка аккумулятора, управление скоростью двигателей постоянного тока и передняя часть ИБП (источник бесперебойного питания) и SMPS (источник питания с переключаемым режимом).
Все четыре используемых устройства — тиристоры. Моменты включения этих устройств зависят от пусковых сигналов. Выключение происходит, когда ток через устройство достигает нуля, и он обратный смещён, по крайней мере, на длительность, равную времени выключения устройства, указанного в листе данных:
- В положительных полуциклических тиристорах T1 и T2 стреляют под углом α.
- Когда T1 & T2 проводит Vo = Vs IO = is = Vo / R = Vs / R.
- В отрицательном полупериоде входного напряжения SC3 T3 и T4 запускаются под углом (π + α).
- Здесь выходной ток и ток питания находятся в противоположном направлении. T3 & T4 отключается при 2π.
Принцип работы выпрямителя
Структурная схема выпрямителя показана ниже:
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.
15.5.2 Конверторы
Конвертором называют преобразователь постоянного тока одного напряжения в постоянный ток, имеющий другое значение напряжения.
В основном применяют два типа конверторов:
1) преобразователи постоянного напряжения с самовозбуждением;
2) импульсные преобразователи постоянного напряжения.
Преобразователь постоянного напряжения с самовозбуждением бывают малой и средней мощности. Структурная схема такого преобразователя изображена ниже.
Рисунок 15.27-Структурнаясхема преобразователя постоянного напряжения с самовозбуждением.
Преобразователь с самовозбуждением ПС превращает постоянное напряжение в переменное напряжение прямоугольной формы, которое с помощью трансформатора изменяется до нужного значения. После выпрямления в выпрямителе В оно подаётся на сглаживающий фильтр СФ, к выходу которого подключена нагрузка ZН.
Советуем изучить — Схема АПВ однократного действия на воздушных и кабельных ЛЭП 6 — 10 кВ
В конверторах с самовозбуждением в качестве ключей применяют транзисторы с общим эмиттером, включаемым по двухтактной схеме.
Рисунок 15.28 — Релаксационный генератор импульсов прямоугольной формы
с трансформаторной положительной обратной связью
Для обеспечения прямоугольной формы генерируемых колебаний материал магнитопровода трансформатора должен иметь петлю гистерезиса прямоугольной формы. Частота переменного тока на выходе релаксационного генератора может достигать значений близких к 50 кГц. Поэтому силовые диоды для выпрямителя необходимо выбирать с учётом частоты переменного тока. В противном случае при выпрямлении напряжений с крутыми фронтами диоды теряют свои выпрямительные свойства и возможна потеря работоспособности конвертора.
Импульсные преобразователи постоянного напряжения (ИППН) регулируют выходное напряжение путём изменения параметров входных импульсов. Чаще всего применяют широтно-импульсную (ШИМ) и частотно-импульсную (ЧИМ) модуляцию при регулировании. ШИМ – это изменение длительности импульсов, а ЧИМ – изменение частоты импульсов.
Рисунок 15.29 — Схема (а) и динамические диаграммы тока нагрузки (б) импульсного однотактного преобразователя постоянного напряжения.
В качестве ключа используется тиристор. Между нагрузкой ZН и тиристором включён сглаживающий LC-фильтр. Диод необходим для пропускания тока нагрузки при выключенном тиристоре. Принцип действия данного ИППН таков: когда тиристор открыт, всё напряжение U поступает на сглаживающий фильтр и далее на нагрузку ZН; при этом диод VD не пропускает ток; когда тиристор закрыт, ток через нагрузку проходит за счёт энергии накопленной в конденсаторе СФ и в катушке LФ.
Однотактные ИППН работают при мощности не более 100 кВт. Если требуется мощность больше, то используют многотактные ИППН, которые содержат несколько параллельно включённых однотактных ИППН. Для уменьшения пульсаций тока в нагрузке тиристоры включают со взаимным сдвигом по фазе на угол 2π/n (n – количество однотактных ИППН). Поэтому тиристоры работают поочерёдно или с некоторым перекрытием.
В качестве примера ИППН ниже приведена схема импульсного источника питания, реализованная на микросхеме VIPerX7.
Рисунок 15.30-Принципиальная электрическая схема ИППН с обратной связью на основе VIPerX7
Трехфазный прибор (схема Ларионова)
Трехфазный мостовой выпрямитель (рис. 2.2, а) можно рассматривать как соединение двух трехфазных выпрямителей с нулевым выводом, у одного из которых диоды VD1, VD3, VD5 образуют катодную группу, а у другого диоды VD2, VD4, VD6 образуют анодную группу. Трансформаторы у этих выпрямителей совмещены в один. При работе мостовой схемы ток проводят всегда два диода; один в анодной, а другой – в катодной группе.
В любой момент времени в катодной группе будет открыт тот диод, потенциал которого по отношению к средней точке трансформатора выше (более положительный) потенциала анода других диодов. В анодной группе проводит тот диод, потенциал, которого ниже (более отрицателен) по отношению к потенциалам катодов других диодов.
Например, в момент времени θ = θ1 (рис. 2.2, б) в катодной группе проводит диод VD1, в анодной – VD6. Переход тока с диода на диод в обоих группах происходит в точках естественной коммутации К1, К2, К3,…, А1, А2, А3 и т.д. Порядок вступления диодов в работу соответствует их номерам.
Таким образом, по отношению к нулевой точке трансформатора потенциал общих катодов измеряется по верхней огибающей, а потенциал общих анодов – по нижней огибающей кривых фазных напряжений ua, ub, uc.
Мгновенное выпрямленное напряжение ud мостового выпрямителя равно разности потенциалов катодной и анодной групп и соответствует ординатам, заключенным между верхней и нижней огибающими. Пульсации выпрямленного напряжении ud и тока id a, при активной нагрузке ключ К замкнут происходят с шестикратной частотой по отношению к частоте сети.
Форма выпрямленного тока и тока через диод показана на рис. 2.2, в, г, при активной нагрузке выпрямителя rв и работе выпрямителя на обмотку возбуждения (см. рис. 2.2 в, штриховая линия). Обратное напряжение имеет форму, как в нулевой схеме, но в два раза меньшей амплитуды. Ток в каждой фазе вторичной обмотки трансформатора протекает дважды за период в противоположных направлениях. В связи с этим в мостовой схеме отсутствует вынужденное подмагничивание сердечника трансформатора.
Форма первичного тока находится из условия компенсации магнитодвижущих сил (МДС) первичной и вторичной обмоток при соединении первичной обмотки в звезду. Выпрямитель при этом нагружен на обмотку возбуждения.
Расчетные соотношения для мостовой схемы находятся из общих формул (2.1 – 2.8), при m = 6. При сравнительном анализе трехфазной нулевой и мостовой схем можно сделать те же выводы, что и для соответствующих однофазных схем.
Улучшение гармонического состава кривых выпрямленного напряжения и сетевого тока достигается в многофазных схемах выпрямления, используемых для машин большой мощности. На практике широко применяют двенадцатифазные схемы выпрямления (m = 12), образованные последовательным или параллельным соединением двух мостовых выпрямителей.
Расчет выпрямителей
Нулевая схема выпрямления
Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.
Нулевая схема выглядит так:
Трансформатор Тр имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а напряжения на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.
Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн. Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн. Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.
Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.
Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:
И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.
Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.
Советуем изучить — Системы счисления чисел
Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:
Трехфазная схема выпрямителя
Большинство промышленных источников питания для электродвигателей и сварочных применений используют трехфазное напряжение AC. Это означает, что устройство для этих цепей должен использовать трехфазный мост, который имеет шесть диодов для обеспечения полноволнового выпрямления (два диода для каждой линии трёх фаз). На этом рисунке показана электрическая трехфазная мостовая схема выпрямления.
На диаграмме вторичная обмотка трехфазного трансформатора на диоде устройства. 1D, 3D и 5D соединены вместе, чтобы обеспечить общую точку для отрицательного вывода DC выходной мощности. 2D, 4D и 6D соединены, чтобы обеспечить общую точку для постоянного положительного вывода выходной мощности.
Электронная схема трехфазного мостового выпрямителя, где он соединён со вторичной обмоткой трехфазного трансформатора. Трехфазные входные синусоидальные волны (б). Шесть полуволн для выхода DC. Хорошим правилом для определения соединений на диодных устройствах является то, что входное напряжение (U) переменного тока будет подключено к мосту, где соединяются анод и катод любых двух диодов.
Так как это происходит в двух точках моста, входное U не имеет определённую полярность. Положительный вывод для источника питания будет подключён к мосту, где два катода диодов соединены, а отрицательный вывод будет соединён с мостом и соединяются два анода диодов.
Поскольку шесть полуволн перекрываются, напряжение DC не имеет шансов добраться до нулевой точки напряжения, таким образом, среднее выходное напряжение DC очень велико.
Трехфазный полноволновый мостовой выпрямитель используется там, где требуемое количество мощности DC велико, а эффективность трансформатора должна быть высокой. Поскольку выходные сигналы полуволн перекрываются, они обеспечивают низкий процент пульсаций.
Однофазные устройства
Однофазный управляемый выпрямитель способен выполнять множество функций. Устанавливают модели чаще всего на силовые трансформаторы. При частоте 20 Гц параметр перегрузки в среднем не превышает 50 А. Система защиты у выпрямителей используется класса Р48. Многие эксперты говорят о том, что модели не боятся волновых помех и отлично справляются с импульсными скачками. Есть ли недостатки у моделей данного типа? В первую очередь они касаются низкого тока при высокой загруженности. Чтобы решить эту проблему, устанавливаются компараторы. Однако стоит учитывать, что они не могу работать в цепи переменного тока.
Дополнительно периодически возникают проблемы с проводимостью тока. В среднем данный параметр равен 5 мк. Понижение чувствительности сильно влияет на работоспособность триода. Если рассматривать однофазные неуправляемые выпрямители, то обкладки у них используется с переходником. У многих моделей имеется несколько изоляторов. Также стоит отметить, что выпрямители данного типа не подходят для понижающих трансформаторов. Стабилизаторы чаще всего применяются на три выхода, и предельное напряжение у них не должно превышает 50 В.
15.1.2 Основные энергетические характеристики выпрямителя
Ими являются:
1. Среднее значение выпрямленного тока и напряжения Iн.ср. и Uн.ср..
2. Мощность нагрузочного устройства Pн.ср.= Iн.ср. · Uн.ср.
3. Амплитуда основного выпрямленного напряжения .
4. Действующие значения тока и напряжения первичной и вторичной обмоток трансформатора .
5. Типовая мощность трансформатора .
6. Коэффициент полезного действия , где РТР — потери в трансформаторе, Рд – потери в диодах.
Рисунок 15.1 — Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б)
Для однополупериодного выпрямителя
Прямой ток диода
— коэффициент пульсации р ≈1,57.
Предельный электрический режим выпрямительного диода характеризует следующие величины: Максимальное обратное напряжение Uобр.max; максимальный прямой ток Inp.max, соответствующий Iвыпр.max; максимальная частота диодов , так как в случае превышения этой частоты диоды теряют свои вентильные свойства.
Для выпрямления однофазного тока широко применяют однополупериодные выпрямители и два вида двухполупериодных выпрямителя.
Тр. – трансформатор; ВГ – вентильная группа; СФ — сглаживающий фильтр;
Рисунок 15.2 — Структурная схема однофазного выпрямительногоустройства
Для надёжной работы диодов в выпрямителях необходимы два условия:
Если амплитудное значение выпрямленного напряжения превышает Uобр.max, то можно включить последовательно два и больше однотипных диодов. Обратное напряжение при этом будет распределяться обратно пропорционально сопротивлению диодов. Параллельно этим диодам включаются шунтирующие резисторы сопротивлением для выравнивания обратных напряжений.
Выпускаются полупроводниковые столбы. Это группа последовательно соединенных диодов, которые помещены в один корпус. Такие столбы выдерживают .
Двухполупериодные выпрямители бывают двух типов: мостовые и с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора. Наибольшее распространение получила мостовая схема.
Рисунок 15.3 — Схема (а) и динамические диаграммынапряжений и токов (б)
Коэффициент пульсаций р≈0,67. Максимальное обратное напряжение на каждом из закрытых диодов, как и у однополупериодного выпрямителя
Промышленностью выпускаются полупроводниковые выпрямительные блоки, в которых диоды соединены по мостовой схеме.
Двухполупериодный выпрямитель с выводом средней точки вторичной обмотки трансформатора можно рассматривать как сочетание двух однополупериодных выпрямителей, включённых на один и тот же нагрузочный резистор RН. В каждый из полупериодов напряжение Uab работает либо верхняя, либо нижняя часть выпрямителя.
При этом ток в резисторе Rн имеет то же направление, что и в предыдущий полупериод.
Рисунок 15.4 — Схема (а) и динамические диаграммы напряжений и токов (б) диаграммы напряжений и токов (в) выпрямителя с выводом средней трёхфазного выпрямителя с нейтральным (г) точки вторичной обмотки выводом трансформатора
Характеристики выпрямителя с выводом средней точки те же, что и у мостового выпрямителя, за исключением напряжения Uобр.max .
При коэффициент пульсаций р ≈0,67.
Трехфазные выпрямители применяют как выпрямители средней и большой мощностей. Существуют два основных типа выпрямителей: с нейтральным выводом и мостовой.
Здесь диоды работают поочередно, каждый в течение трети периода, когда потенциал начала одной из фазных обмоток более положительный, чем двух других.
Коэффициент пульсации р ≈ 0,25.
Трехфазный выпрямитель с нейтральным выводом служит для питания нагрузочных устройств, в которых Iн.ср ≈ сотни А, а Uн.ср ≈ десятки кВ.
Трехфазный мостовой выпрямитель (предложен в 1923 году А.Н.Ларионовым) по всем показателям превосходит рассмотренный трехфазный выпрямитель.
Рисунок 15.6 — Схема (а) и динамические диаграммы (б) напряжений и токов трёхфазного мостового выпрямителя
Диоды VD1, VD3, VD5 образуют положительный полюс на нагрузочном резисторе RН, а общая точка диодов VD2, VD4, VD6 – отрицательный полюс на нем. Коэффициент пульсации р = 0,057;
Следовательно, диоды в данном выпрямителе можно выбирать по обратному напряжению близкому к Uн.ср. КПД выпрямителя А.Н. Ларионова больше, чем КПД выпрямителя с нейтральным выводом, так как в мостовом выпрямителе, нет подмагничивания сердечника трансформатора постоянным током.
Мостовые модификации
Мостовые выпрямители работают при частоте не более 30 Гц. Угол управления зависит от триодов. Компараторы в основном крепятся через диодные проводники. Для силового оборудования модели подходят не лучшим образом. Для модулей применяются стабилизаторы с низкоомным переходником. Если говорить про минусы, то следует учитывать низкую проводимость при высоком напряжении. Системы защиты, как правило, применяются класса Р33.
Многие модификации подключаются через дипольный триод. Как работает трансформатор на этих выпрямителях? Первоначально напряжение подается на первичную обмотку. При напряжении свыше 10 В в работу включается преобразователь. Изменение частоты осуществляется при помощи обычного компаратора. С целью уменьшения тепловых потерь на мостовой управляемый выпрямитель устанавливается варикап.
Помогла ли вам статья?