Выпрямитель тока: переменный ток в постоянный, схема выпрямителя тока

В таких устройствах для выпрямления тока используется более 3 фаз. Остальные конструктивные особенности отличаются. Многофазный выпрямитель может состоять из полного моста, четверти моста и половины моста. В зависимости от количества входов и параллельности они делятся на отдельные, соединенные звездой или соединенные кольцом. Существуют также серийные типы.

Выпрямитель

Выпрямители тока – это различные типы преобразователей сигналов. В зависимости от природы устройства они могут быть полупроводниковыми на основе диодов или транзисторов, механическими или вакуумными. Назначение устройства – преобразование переменного сигнала, подаваемого на вход, в постоянный сигнал на выходе. Большинство таких устройств могут производить пульсирующий электрический ток, оставляя пульсации на выходе. Поэтому необходимо дополнительно оснастить схему фильтрами для сглаживания колебаний. Устройство, преобразующее постоянный ток в переменный, называется инвертором и используется в источниках бесперебойного питания и батареях.

Схема диодного моста

Конструкция и дизайн выпрямителя

Для сглаживания получаемых импульсов выпрямленного напряжения после выхода выпрямителя подключается сглаживающий фильтр, состоящий из конденсаторов, дросселей и резисторов. К выходу сглаживающего фильтра подключена схема стабилизатора, которая выравнивает и регулирует результирующий ток и напряжение. Такие устройства часто также подключаются к входу переменного тока устройства.

Режимы работы и характеристики отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра адаптированы к конкретным условиям эксплуатации потребительской нагрузки. Поэтому основной задачей при проектировании выпрямительного оборудования является расчет коэффициентов для определения электрических свойств и параметров элементов стабилизатора и других деталей из условий работы потребителя. Затем эти компоненты должны быть рассчитаны и выбраны из каталога в торговой сети.

Обе полуволны переменного напряжения можно использовать двумя способами:

Полупроводниковые схемы

Каждый выпрямитель представляет собой схему. Он состоит из вторичной обмотки трансформатора, выпрямительного элемента, электрического фильтра и нагрузки. Возможно умножение напряжения. Выпрямленное напряжение представляет собой сумму постоянного и переменного напряжений. Компонент переменного тока – это нежелательный компонент, который уменьшается тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе и быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

• повышение эффективности электрического фильтра;
• улучшение параметров выпрямленного переменного напряжения.

Простейшим выпрямителем является однополупериодный выпрямитель. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсации в этой схеме самый высокий. Но если мы выпрямим трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе и тем же фильтром, мы получим в три раза меньшие пульсации. Однако наилучшие характеристики достигаются при использовании двойных полуволновых выпрямителей.

Обе полуволны переменного напряжения могут быть использованы двумя способами:

• мостовая схема;
• Обмотка центральной точки (схема Миткевича).

Давайте сравним эти две схемы для одного и того же выпрямленного напряжения. В мостовой схеме используется меньше вторичных обмоток трансформатора, что является преимуществом. Но в однофазном мостовом выпрямителе требуется четыре диода. Схема со средней точкой требует вдвое больше вторичных обмоток в средней точке, что является недостатком. Другим недостатком такого расположения является то, что часть обмотки должна быть симметричной относительно центральной точки.

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Однако в этой схеме требуется только два диода, что является преимуществом. Во время выпрямления на диоде появляется напряжение. Его значение почти не меняется в зависимости от тока, протекающего через диод. Поэтому мощность, рассеиваемая полупроводниковым диодом, увеличивается по мере увеличения выпрямленного тока.

При выпрямлении больших токов два диода в средней цепи будут более экономичными и компактными по сравнению с четырьмя диодами в мостовом выпрямителе. Схемы выпрямителей не появились из ниоткуда. Они были изобретены инженерами. Поэтому в литературе схемы выпрямителей иногда называют по именам их первооткрывателей. Мостовая схема называется “полный мост Гретца”. Схема со средней точкой называется “выпрямителем Миткевича”.

Силовой трансформатор

Это устройство используется для согласования входного и выходного напряжения выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор используется для отделения цепи нагрузки от цепи питания. Существуют различные способы соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройства. Выходное напряжение трансформатора U₂ зависит от выходного напряжения мостового выпрямителя U_н.

Трансформатор способен гальванически развязать частоту f₁ с сетью U₁, I₁и цепь нагрузки с U_н, I_н в одно и то же время. В настоящее время возможно проектирование и производство высоковольтных инверторов, которые работают на более высокой частоте и выпрямляют напряжение. Для этого используются бестрансформаторные выпрямительные системы, в которых вентильный блок подключается непосредственно к первичной питающей сети.

Диодный мост

Это основная функция выпрямительного устройства – преобразование переменного тока в постоянный. Наиболее распространенными элементами, используемыми в устройстве, являются диоды. На выходе диодного моста генерируется постоянное напряжение с более высоким уровнем импульсов, который зависит от количества фаз в электросети и выпрямительной схемы.

Фильтрующее устройство

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в зависимости от требований нагрузки. В схеме устройства фильтрации используется сглаживающий дроссель или резистор, подключенный последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно к выходу питания.

Чаще, однако, фильтры строятся по несколько более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности нет необходимости в дросселе и резисторе. В схемах выпрямителей для трехфазных сетей импульсы меньше, что упрощает условия работы фильтра.

Коэффициент мощности трансформатора оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр рассчитывается по формуле:

Для сглаживания получаемых импульсов выпрямленного напряжения после выхода выпрямителя подключается сглаживающий фильтр, состоящий из конденсаторов, дросселей и резисторов. К выходу сглаживающего фильтра подключена схема стабилизатора для выравнивания и регулирования результирующего тока и напряжения. Такие устройства часто также подключаются к входу переменного тока устройства.

Режимы работы и характеристики отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра адаптированы к конкретным условиям эксплуатации потребительской нагрузки. Поэтому основной задачей при проектировании выпрямительных устройств является расчет коэффициентов для определения электрических свойств и параметров компонентов стабилизатора и других деталей из условий работы потребителя. Затем необходимо рассчитать эти компоненты и выбрать их из каталога в торговой сети.

Рис. 1

Выпрямители в общем виде можно представить структурной схемой (рис. 2), состоящей из:

1 – Силовой трансформатор.
2 – Диодный мост, состоящий из диодов.
3 – Фильтрующее устройство.
4 – Схема нагрузки со стабилизатором.

Рис. 2

Силовой трансформатор

Назначение этого устройства – согласование входного и выходного напряжений выпрямителя (рис. 1 – а). Другими словами, трансформатор отделяет цепь нагрузки от цепи питания. Обмотки этого трансформатора могут быть соединены по-разному, в зависимости от типа схемы выпрямителя устройства. Для выходного напряжения трансформатора U₂ зависит от выходного напряжения мостового выпрямителя U_н.

Трансформатор способен гальванически развязать частоту f₁ с сетью U₁, I₁и цепь нагрузки с U_н, I_н в одно и то же время. В настоящее время возможно проектирование и производство высоковольтных инверторов, которые работают на более высокой частоте и выпрямляют напряжение. Для этого используются бестрансформаторные выпрямительные системы, в которых вентильный блок подключается непосредственно к первичному питанию.

Диодный мост

Это основная функция выпрямителя, преобразование переменного тока в постоянный (рис. 1 – б). Чаще всего в блоке используются элементы в виде диодов.

На выходе выпрямительного блока образуется постоянное напряжение, которое имеет высокий импульсный уровень, зависящий от количества фаз сети и схемы выпрямителя.

Фильтрующее устройство

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в зависимости от требований нагрузки (рис. 1-c). В схеме фильтра используется последовательно соединенный сглаживающий дроссель или резистор и конденсаторы, подключенные параллельно к выходу питания.

Однако большинство фильтров выполнены по несколько более сложным схемам. В выпрямителях малой мощности нет необходимости использовать дроссель и резистор. В схемах выпрямителей для трехфазных сетей размер импульсов меньше, что упрощает условия работы фильтра.

Стабилизатор напряжения

Регулятор напряжения предназначен для уменьшения внешнего воздействия на выходное напряжение. На него могут влиять колебания частоты тока, температура, колебания напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводниковых приборов, устройство и работа которых будут рассмотрены отдельно.

Классификация

Выпрямители на основе полупроводниковых элементов классифицируются различными способами.

С точки зрения выходной мощности:

• Большая мощность – более 100 киловатт.
• Средняя мощность – менее 100 киловатт.
• Низкая мощность – менее 0,6 киловатт.

Фаза сети:

• Однофазный.
• Трехфазный.

Количество импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U₂ за один период:

• Однополюсные (имеют один полупериод).
• Биполярные (имеют два полупериода).

Выпрямители в зависимости от типа управления клапаном делятся на:

• Контролируется. Это транзисторы или тиристоры, которые используются в схеме.
• Выпрямители делятся на следующие диапазоны: управляемые – транзисторы, тиристоры. В этих схемах используются диоды.

Выпрямители делятся на следующие типы нагрузок:

• Активный конденсатор.
• Активно-индуктивный.
• Активный.

Расчет выпрямителя

Тип нагрузки и форма потребляемого тока влияют на расчет выпрямителя и существенно различаются. Расчет выпрямителя производится путем выбора схемы выпрямителя, типа вентилей, определения нагрузки трансформатора, фильтра и диодов, мощности и электрических параметров.

На выбор схемы устройства влияет ряд факторов. Эти факторы должны учитываться в зависимости от требований зарядного устройства.

К таким факторам относятся:

• Мощность и напряжение.
• Пульсация и частота выходного напряжения.
• Значение обратного напряжения на диодах и количество диодов.
• Коэффициент мощности и другие параметры.
• ЭФФЕКТИВНОСТЬ.

Коэффициент мощности трансформатора оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр рассчитывается по формуле:

Где I_d, U_d, – средние значения выпрямленного тока и напряжения, I₁, U₁ – рабочие ток и напряжение первичной обмотки, I₂, U₂ – рабочее значение вторичного тока и напряжения.

По мере увеличения коэффициента использования трансформатора размер блока обычно уменьшается, а эффективность увеличивается.

Системы ректификации

Однофазные выпрямители

Однофазные выпрямительные цепи чаще всего используются в бытовых электроприборах. В них используются однофазные трансформаторы, работающие с фазой и нулем. Обе обмотки трансформатора в таких устройствах однофазные.

Однофазная однофазная цепь

Однофазная однополупериодная схема чаще всего используется для выравнивания тока малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости в идеальном выравнивании напряжения на выходе выпрямителя. Он характеризуется высокой пульсацией выходного напряжения и низким коэффициентом использования трансформатора.

На схеме показана работа одноциклового выпрямителя для активной нагрузки.

Ток нагрузки i_d под воздействием ЭДС вторичной стороны (e₂) может проходить только через те полупериоды, в которых анод диода имеет положительный потенциал относительно катода. В первом полуцикле диод проводит ток i_vd, а во втором полуцикле ток становится равным нулю (при отрицательном потенциале анода).

Напряжение на выходе выпрямителя u_d всегда ниже, чем ЭДС для e₂Из-за того, что теряется определенное количество напряжения. Наибольшее сопротивление обратного хода клапана U_obmax достигает амплитуды ЭДС вторичной обмотки.

Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора похожи, если пренебречь намагничивающим током и удалить I_dпоскольку он не преобразуется в первичной обмотке. Благодаря этому значению в сердечнике трансформатора возникает вспомогательный магнитный поток, который вызывает насыщение сердечника.

Этот эффект называется принудительным смещением. Это можно считать главным недостатком системы. После насыщения ток намагничивания трансформатора увеличивается по сравнению с нормальной работой. Увеличение этого тока создает условия для увеличения поперечного сечения первичного проводника. Это приводит к увеличению размеров трансформатора.

Вход переменного тока используется для получения постоянного электрического тока на выходе таких устройств. Этот процесс называется ректификацией.

• В источниках питания для радио- и электрооборудования, как промышленного, так и бытового;
• В источниках питания для бортовых электронных систем автомобилей;
• в источниках питания для автомобильного, железнодорожного, морского, авиационного и т.д. оборудования
• в сварочных аппаратах;
• Подстанции для энергосистем и т.д.

Если выпрямитель предназначен только для преобразования тока, то он опирается на неуправляемые затворы, т.е. диоды.

Если выпрямитель должен регулировать уровень напряжения, то используются управляемые вентили – тиристоры.

Однако большинство электроники, не только бытовой, но и промышленной, питается постоянным напряжением, что привело к созданию целой отрасли электротехники – преобразованию (выпрямлению) переменного тока. После ухода в небытие электронной лампы основным компонентом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Типы выпрямителей переменного тока

В начале 20-го века между специалистами в области электротехники возник очень принципиальный спор. Какой ток более рентабелен для передачи потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по высоковольтным линейным проводам от трансформаторной подстанции к потребителю. Эта система была принята во всем мире и используется до сих пор.

Однако большинство электроники, не только бытовой, питается постоянным током, что привело к появлению целой отрасли электротехники – преобразованию (выпрямлению) переменного тока. После того, как электронная лампа ушла в прошлое, основным компонентом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемы выпрямителей очень широки, но самыми простыми являются Однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение со вторичной обмотки силового трансформатора подается на один диод. Вот принципиальная схема.

Поэтому его называют выпрямителем с одним напряжением. Она только исправляет один полупериод а на выходе – импульсное напряжение. Его форма показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества компонентов. Это влияет на качество выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, сетевое напряжение 50 Гц) выпрямленное напряжение является сильно импульсным. Это очень плохо.

Чтобы уменьшить пульсации выпрямленного напряжения, приходится использовать очень большой конденсатор C1, около 2000-5000 микрофарад, что увеличивает размеры источника питания, так как электролиты на 2000-5000 мкФ довольно большие. Поэтому эта схема редко используется на низких частотах. Вместо этого однополупериодные выпрямители отлично зарекомендовали себя в импульсных источниках питания, работающих на частотах порядка 10 – 15 кГц (килогерц). На этих частотах емкость фильтра может быть очень мала, и простота схемы меньше влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером однополупериодного выпрямителя может служить простое зарядное устройство для мобильного телефона. Поскольку само зарядное устройство является маломощным, в нем используется однополупериодная схема, как во входном выпрямителе сети 220 В (50 Гц), так и в выходном выпрямителе, который требует выпрямления переменного напряжения высокой частоты от вторичной обмотки импульсного трансформатора.

Несомненным преимуществом этого выпрямителя является минимум деталей, низкая стоимость и простые схемные решения. В обычных (неимпульсных) источниках питания двойные полупериодные выпрямители успешно используются на протяжении многих десятилетий.

Двойные полупериодные выпрямители.

Они бывают двух видов: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного силового трансформатора, хотя в нем используется вдвое меньше диодов, чем в мостовой схеме. Недостатком полуточечного выпрямителя является то, что для получения того же напряжения количество витков на вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем в мостовой схеме. Это не совсем экономичное использование медной проволоки.

На диаграмме ниже показан типичный полупериодного выпрямителя.

Пульсация выпрямленного напряжения меньше, чем у полуволнового выпрямителя, и значение конденсатора фильтра также может быть значительно меньше. Как работает схема с двойным полупериодом, можно увидеть на рисунке.

Как видим, на выходе выпрямителя мы уже имеем вдвое меньшие “просадки” напряжения, то есть как раз эти пульсации.

Схема выпрямителя со средней точкой активно используется в выходных выпрямителях импульсных источников питания для ПК. Поскольку для вторичной обмотки ВЧ-трансформатора требуется меньше витков медного провода, использование этой схемы намного эффективнее. Используются двойные диоды, т.е. диоды с общим корпусом и тремя выводами (два диода внутри). Один из выходов является общим (обычно катод). Двоичный диод внешне очень похож на транзистор.

Наиболее популярными в потребительском и промышленном применении являются мостовая схема. Взгляните на это.

Не будет преувеличением сказать, что это самая распространенная схема. Вы не раз столкнетесь с этой схемой на практике. Он содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе обычно имеется RC-фильтр или просто электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

Эта схема уже была описана на странице “Диодный мост”. Стоит отметить, что мостовая схема также имеет недостатки. Как известно, каждый полупроводниковый диод имеет так называемое прямое падение напряжения (Прямое падение напряжения – V_F). Для обычных выпрямительных диодов этот показатель может составлять 1 – 1,2 В (в зависимости от типа диода). Теперь, используя мостовую схему, напряжение, равное 2 x V_Fт.е. приблизительно 2 В. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем 2 других). Получается, что диодный мост теряет часть напряжения, которое мы берем со вторичной обмотки трансформатора, что является очевидной потерей. Поэтому в некоторых случаях Диоды Шоттки, которые имеют небольшое прямое падение напряжения (около 0,5 В), используются как часть диодного моста. Однако диод Шоттки не рассчитан на высокое обратное напряжение и очень чувствителен к превышению этого напряжения.

Большой интерес представляют Выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип работы удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на попеременной зарядке-разрядке конденсаторов C1 и C2 полуволнами входного напряжения разной полярности. В результате напряжение между катодом одного диода и анодом другого диода в два раза превышает входное напряжение. Схема:)

Стоит отметить, что эта схема не часто используется в источниках питания. Но его можно использовать, если мы хотим удвоить напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора. Это было бы более логично и правильно, чем перемотка вторичной обмотки трансформатора для удвоения выходного напряжения на вторичной обмотке (потому что вторичная обмотка должна быть намотана в два раза большим количеством витков). Поэтому, если вы не можете найти подходящий трансформатор, вы можете смело использовать эту схему.

Расширением этой схемы стало создание твердотельного диодного умножителя.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют “ячейку”, и эти ячейки могут быть соединены последовательно для получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение должно быть достаточно большим.

На рисунке показано четырехкратный множитель а на выходе мы имеем напряжение, в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители стали очень популярны в тех случаях, когда требуется высокое напряжение при относительно низком токе. Например, в старых телевизорах и осциллографах эта схема использовалась для подачи высокого напряжения на анод ЭЛТ.

Сегодня такие источники питания используются в научных лабораториях, детекторах элементарных частиц, медицинском оборудовании (люстра Чижевского) и оружии самообороны (электрошокер). При воспроизведении таких конструкций и выборе деталей важно рабочее напряжениеВесь умножитель обычно заключен в специальный компаунд или эпоксидную смолу, чтобы избежать пробоя высокого напряжения между элементами схемы. Весь умножитель обычно заполняется специальным компаундом или эпоксидной смолой, чтобы избежать пробоя высокого напряжения между компонентами схемы.

Некоторые приборы, например, люстры Чижевского, требуют довольно высокого напряжения для нормальной работы. По мнению экспертов, излучатель отрицательных ионов эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трехфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из трехфазного переменного тока, называются трехфазными выпрямителями. Трехфазные выпрямители, очевидно, не используются в бытовых приборах. Единственное устройство, которое можно использовать в бытовой технике, – это сварочный аппарат. Трехфазные выпрямители основаны на работах двух известных инженеров-электриков Миткевича и Ларионова. Простейшая схема Миткевича называется “параллельный мост 3/4”, который представляет собой три силовых диода, соединенных параллельно через вторичные обмотки трехфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра с малой емкостью и небольшими размерами.

Более сложной является схема Ларионова, которую называют “три полумоста в параллель”, что хорошо видно на рисунке.

В этой схеме используется шесть диодов и немного другая схема. Существует довольно много схем трехфазных выпрямителей, и самой совершенной, хотя и редко используемой, является схема “шесть мостов в параллель”, а это уже 24 диода! Однако эта схема может производить высокое напряжение при высокой мощности.

Трехфазные выпрямители используются в электровозах, в городском электротранспорте (трамваи, троллейбусы, метро) и в промышленных электролизных установках. В промышленных системах очистки газа, буровом и сварочном оборудовании также используются трехфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, что такое выпрямители переменного тока, и сможете легко найти их на схеме или печатной плате любого устройства. А тем, кто хочет узнать больше, мы рекомендуем прочитать книгу “Твердотельные выпрямители”.

Читайте далее:

• Расчет понижающего конденсатора.
• Полупроводниковые диоды.
• Основные параметры выпрямительных диодов; Школа для инженеров-электриков: Электротехника и электроника.
• Шаговые двигатели: свойства и практические схемы управления. Часть 2.
• Выпрямительные диоды; Школа для электриков: Электротехника и электроника.
• Обратный ток. Что такое возвратный ток?.
• С низким пусковым током: корректоры коэффициента мощности от STM.