Принцип работы схемы выпрямителей

Основные параметры выпрямительного диода:

В зависимости от номинала максимального прямого тока выпрямительные диоды можно условно разделить на малой (до 300mA), средней (300mA-10А) и большой мощности (>10А). По типу используемого материала они бывают германиевые и кремниевые.

Кремневые выпрямительные диоды имеют во много раз меньшие обратные токи и гораздо более высокую величину допустимого обратного напряжения, которое может быть даже и 1000, и даже 1500В, тогда как у германиевых максимум 400В. Согласитесь, весьма существенная разница.

Работоспособность кремневых выпрямительных диодов сохраняется при температурах от -60 до +150º С, а германиевых -60 до +85º С.

— по фазности (одно-, двух-, трех- и более фазные);

Выпрямители применяются повсеместно в устройствах самых различных назначений, от зарядных устройств для мобильных телефонов, до двигателей электропоездов. Для мелкой бытовой техники (мобильные телефоны, ноутбуки, телевизоры и так далее) перед выпрямителем в схеме установлен понижающий трансформатор, который понижает напряжение до необходимого уровня, прежде чем подать его на выпрямитель. Далее ток выпрямляется, и на устройство приходит низкое постоянное напряжение (чаще всего 5-12В), вместо 220В переменного тока из сети.

Силовые выпрямители для электропоездов работают несколько иначе, чем диодные для бытовой техники, но общий принцип работы сохраняется – нижняя полуволна «переворачивается», затем происходит сглаживание пульсаций. Разница лишь в размерах элементов и значениях силы тока и напряжения.

средние значения выпрямленного (выходного) напряжения U ср и тока I ср,

Выпрямитель — статическое устройство, служащее для преобразования переменного тока источника электроэнергии (сети) в постоянный. Выпрямитель состоит из трансформатора, вентильной группы и сглаживающего фильтра (рис. 1).

Трансформатор Тр выполняет несколько функций: изменяет напряжение сети Uвх до значения U1 необходимого для выпрямления, электрически отделяет нагрузку Н от сети, преобразует число фаз переменного тока.

Вентильная группа ВГ преобразует переменный ток в пульсирующий однонаправленный. Сглаживающий фильтр СФ уменьшает пульсации выпрямленного напряжения (тока) до значения, допустимого для работы нагрузки. Трансформатор Тр и сглаживающий фильтр СФ не являются обязательными элементами схемы выпрямителя.

Рис. 1. Структурная схема выпрямителя

Основными параметрами, характеризующими качество работы выпрямителя, являются:

средние значения выпрямленного (выходного) напряжения U ср и тока I ср,

частота пульсаций f п выходного напряжения (тока),

коэффициент пульсаций р, равный отношению амплитуды напряжения пульсаций к среднему значению выходного напряжения. Вместо коэффициента пульсаций р часто используют коэффициент пульсаций по первой гармонике равный отношению амплитуды первой гармоники выходного напряжения к его среднему значению,

внешняя характеристика — зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от среднего значения выпрямленного тока,

к. п. д. η = P полезн / P потр = P полезн / ( полезн + Ртр + Рвг + Рф), где Ртр, Рвг, Рф — мощность потреь в трансформаторе, в вентильной группе и сглаживающем фильтре.

Работа выпрямителя (вентильной группы) основана на свойствах вентилей — нелинейных двухполюсников, пропускающих ток преимущественно в одном (прямом) направлении.

В качестве вентилей используют обычно полупроводниковые диоды. Вентиль, обладающий нулевым сопротивлением для прямого тока и имеющий бесконечно большое сопротивление для обратного тока, называют идеальным.

Вольт-амперные характеристики реальных вентилей приближаются к в. а. х. идеального вентиля. Для работы в выпрямителях вентили выбирают по эксплуатационным параметрам , к которым относятся:

наибольший (прямой) рабочий ток I срmaх — предельно допустимое среднее значение выпрямленного тока, протекающего через вентиль при его работе в однополупернодной схеме на активную нагрузку (при нормальных для данного вентиля условиях охлаждения и температуры, не превышающей предельного значения),

наибольшее допустимое обратное напряжение (амплитуда) Uобрmaх — обратное напряжение, которое вентиль выдерживает в течение длительного времени. Как правило, напряжение Uобрmaх равно половине напряжения пробоя,

прямое падение напряжения Uпр — среднее значение прямого напряжения в однополупернодной схеме выпрямления, работающей на активную нагрузку при номинальном токе.

обратный ток Iобр — значение тока, протекающего через вентиль, при приложении к нему допустимого обратного напряжения,

максимальная мощность Рmах — максимально допустимая мощность, которая может быть рассеяна вентилем.

Наиболее распространенные схемы выпрямления показаны на рисунках , где приняты следующие обозначения: mс — число фаз напряжения сети, m1 — число фаз напряжения на входе схемы выпрямления (на выходе трансформатора), m = fп / fc — коэффициент, равный отношению частоты пульсации выходного напряжения к частоте напряжения сети. В качестве вентилей везде изображены полупроводниковые диоды.

Самые распространенные схемы выпрямления и формы в ыходного напряжения при работе на активную нагрузку :

Однофазная однополупериодная схема выпрямления ( mc=1, m1=1, m=1)

Однофазная двухполупериодная схема выпрямления ( мостовая схема выпрямления mc=1, m1=1, m= 2 )

Однофазная схема выпрямления с выводом средней точки ( mc=1, m1= 2 , m= 2 )

Трехфазная схема выпрямления с выводом нейтрали ( mc= 3 , m1= 3 , m= 3 )

Трехфазная мостовая схема выпрямления ( mc= 3 , m1= 3 , m= 6 )

Основные соотношения для схем выпрямления при работе на активную нагрузку Rн в предположении идеальности трансформатора и вентилей приведены в таблице :

Сделайте небольшой донат на развитие сайта «Школа для электрика»!

Для расчета 2-хполупериодного выпрямителя, выбранного в качестве примера, потребуется знать следующие исходные данные:

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.

Схема выпрямителя с удвоением напряжения лишь деталями отличается от уже рассмотренных вариантов. Такие устройства принято называть умножителями, которые легко собираются своими руками.

В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

Мостовой выпрямитель состоит из четырёх диодов, соединённых в форме «моста», причём вторичная обмотка трансформатора соединяется через противоположные углы «моста», а сопротивление нагрузки соединяется через другие два угла. Выходное напряжение мостового выпрямителя в два раза больше, чем у двухполупериодного выпрямителя, поскольку через «мост» протекает воздействие всего напряжения вторичной обмотки.

В течение первой половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D1, через сопротивление нагрузки RL, через диод D3, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

Путь тока через мостовой выпрямитель в течение первой половины цикла переменного тока

В течение второй половины цикла переменного тока, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки через диод D4, через сопротивление нагрузки RL, через диод D2, к положительной стороне вторичной обмотки. Этот ток через RL представляет собой положительную полуволну.

Путь тока через мостовой выпрямитель в течение второй половины цикла переменного тока Сравнение формы кривой выходного сигнала мостового выпрямителя и двухполупериодного выпрямителя

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Устройство и структура выпрямителя

Рис. 1

Выпрямители в общем виде можно изобразить структурной схемой (Рис. 2), в которую входит:

1 — Силовой трансформатор.
2 — Диодный мост, состоящий из диодов.
3 — Устройство фильтрования.
4 — Нагрузочная цепь со стабилизатором.

Рис. 2

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства (Рис. 1 — а). Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U₂ влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U_н.

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

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный (Рис. 1 — б). В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов.

На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки (Рис. 1 — в). В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

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

Стабилизатор напряжения

Устройство стабилизации напряжения предназначено для снижения внешнего влияния на выходное напряжение. Воздействиями могут быть: изменение частоты тока, температуры, перепады напряжения и другие факторы. В конструкции стабилизатора используются полупроводниковые элементы в виде стабилитронов, тиристоров, симисторов и других полупроводников, устройство и работа которых будет рассмотрена отдельно.

Классификация

Выпрямители, выполненные на основе полупроводниковых элементов, классифицируются по различным признакам.

По мощности на выходе:

• Повышенной мощности – свыше 100 киловатт.
• Средней мощности – менее 100 кВт.
• Малой мощности – до 0,6 киловатт.

По фазности сети питания:

• 1-фазные.
• 3-фазные.

По количеству импульсов одного полюса выпрямленного напряжения U₂ за один период:

• Однотактные (имеют один полупериод).
• Двухтактные (два полупериода).

По типу управления вентилями выпрямители делятся на:

• Управляемые. В схеме применяются транзисторы, тиристоры.
• Неуправляемые. Используются диоды.

Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:

• Активно-емкостная.
• Активно-индуктивная.
• Активная.

Расчет выпрямителя

Характер нагрузки, формы потребления тока влияют на способы расчета выпрямителя, и значительно отличаются. Расчет выпрямителя выполняется путем подбора схемы выпрямителя, вида вентилей, определения нагрузки на трансформатор, фильтр и диоды, энергетических и электрических параметров.

Ряд факторов влияет на выбор схемы прибора. Эти факторы необходимо учитывать согласно предъявляемому требованию к выпрямителю.

К таким факторам можно отнести:

• Мощность и напряжение.
• Пульсация и частота напряжения на выходе.
• Значение обратного напряжения на диодах и их количество.
• Коэффициент мощности и другие параметры.
• КПД.

Коэффициент применения трансформатора по мощности оказывает большое влияние на расчет выпрямителя. Этот параметр вычисляется формулой:

Где I_d, U_d, — средние величина выпрямленного тока и напряжения, I₁, U₁ — рабочая первичная величина тока и напряжения, I₂, U₂ – рабочая величина вторичного тока и напряжения.

При повышении коэффициента использования трансформатора размеры прибора в общем уменьшаются, а КПД увеличивается.

Схемы выпрямления

Однофазные выпрямители

Схемы приборов для подключения к питанию однофазной сети используются чаще всего для бытовых электрических устройств. В них применяются однофазные трансформаторы, функционирующие с фазой и нолем. Обе обмотки трансформатора таких приборов являются однофазными.

Однофазная однотактная схема

Однополупериодная схема чаще всего используют для выравнивания токов малой мощности (несколько миллиампер), когда нет необходимости идеального выравнивания напряжения на выходе выпрямителя. Такая схема характерна значительными пульсациями выходного напряжения и малым коэффициентом использования трансформатора.

На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

Нагрузочный ток i_d под воздействием ЭДС вторичной обмотки (е₂) может пройти только за те полупериоды, на которых анод диода обладает положительным потенциалом по отношению к катоду. По диоду в первый полупериод протекает ток i_vd, а во второй полупериод ток становится нулевым (при отрицательном потенциале анода).

Напряжение на выходе выпрямителя u_d всегда ниже ЭДС обмотки е₂, из-за того, что определенная часть напряжения теряется. Наибольшее обратное сопротивление вентиля U_обрmax достигает амплитудной величины ЭДС вторичной обмотки.

Диаграммы токов обеих обмоток трансформатора аналогичны, если не считать ток намагничивания и удалить из него величину I_d, так как она не трансформируется в первичную обмотку. Из-за этой величины в сердечнике трансформатора образуется вспомогательный магнитный поток, который насыщает сердечник.

Такой эффект называется вынужденным подмагничиванием. Это можно выделить, как основной недостаток схемы. После насыщения ток намагничивания трансформатора повышается по сравнению с нормальным режимом. Повышение этого тока создает условия для увеличения сечения проводника первичной обмотки. Вследствие этого возрастают размеры трансформатора.

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке 5.

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

Рисунок 1. Схема простейшего выпрямителя переменного тока

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

Выпрямленное напряжение U_d содержит полезную составляющую (постоянное напряжение U₀) и ряд гармоник частоты входного тока f_сети, в том числе и основную гармонику с частотой входного напряжения. Амплитуды гармоник тока на выходе однотактного выпрямителя напряжения можно определить по коэффициентам Берга для угла отсечки, равного 90°. В идеальном случае гармонический спектр продолжается до бесконечности. В реальных устройствах он ограничивается фильтрующим действием паразитных элементов схемы.

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

Рисунок 2. Временные диаграммы токов и напряжений однополупериодного выпрямителя переменного тока

Как уже определялось при обсуждении схемы замещения трансформатора, ток в первичной обмотке трансформатора равен сумме тока его холостого хода (i_xx) и переменной составляющей тока нагрузки, пересчитанной в первичную цепь (i₂’). Форма тока в первичной обмотке (i₁) трансформатора, входящего в состав однополупериодного выпрямителя, сильно отличается от синусоидальной. По этой причине подобная схема применяется достаточно редко.

В общем случае, при работе от многофазной сети переменного тока, у трансформатора есть m₁ первичных обмоток, подключенных к различным фазам сети, и р фаз во вторичной цепи, которое называют пульсностью. Обычно . Пульсность схемы определяется произведением

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

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

Рисунок 3. Принципиальная схема двухфазного однотактного выпрямителя тока

В данном случае используются две вторичных обмотки, включенных противофазно (обмотка с отводом посередине). В течение одного периода сети через каждую из них протекает один импульс тока i₂’ и i₂«. Благодаря диодам эти токи протекают через нагрузку в одном направлении, а через вторичные обмотки из-за противофазного включения — в разных направлениях. В результате форма тока в первичной обмотке не искажается и в сердечнике трансформатора не происходит подмагничивание постоянным током.

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

Рисунок 4. Временные диаграммы токов и напряжений двухфазного однотактного выпрямителя тока

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

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного тока

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому . В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна . По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

Рисунок 6. Принципиальная схема трехфазного однотактного выпрямителя переменного тока

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

Рисунок 7. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного однотактного выпрямителя тока

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

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

Рисунок 8. Принципиальная схема трехфазного выпрямительного моста

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

В схеме Ларионова на входе выпрямителя присутствуют три фазы обмотки, поэтому и ее пульсность . Отсюда можно определить основную частоту спектра пульсаций . Временные диаграммы токов и напряжений в различных точках схемы трехфазного выпрямительного моста приведены на рисунке 9.

Рисунок 9. Временные диаграммы токов и напряжений трехфазного выпрямительного моста

Рисунок 10. Схема двенадцатифазного выпрямителя тока

Дата последнего обновления файла 16.02.2018

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

Вместе со статьей «Выпрямитель переменного тока» читают:

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.

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

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

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

Однополупериодный выпрямитель.

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

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

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

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

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

Двухполупериодные выпрямители.

Далее на рисунке показана 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.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

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

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

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:)

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

На рисунке изображены распространенные схемы выпрямителей для трехфазных сетей. В левой используются три диода и нагрузка. В правой – 6 диодов без нагрузки, что требуется для дополнительного выравнивания.

Диодный мост

Двухполупериодная схема выпрямления, называемая диодным мостом, для работы задействует четыре вентиля, которые формируют замкнутую цепь. С одной части подключается генератор тока, с другой – резистор.

При подключении обмотки конденсатора, вентили работают попарно, сглаживая положительную и отрицательную полуволну. На выходе остается только плюс, при этом показатель пульсаций равняется 0.48.

Главными достоинствами схемы диодного моста являются простота и высокий коэффициент полезного действия. К минусам относят снижение напряжения на вентилях, что сказывается на эффективности работы систем с низким вольтажом.

Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

Схема однополупериодного выпрямителя выглядит следующим образом:

Пусть на входе у нас переменное напряжение, меняющееся по синусоидальному закону:

Резистор же R_н играет роль нагрузки. То есть мы должны обеспечить протекание через него постоянного тока. Давайте разберемся как эта простейшая схема сможет решить нашу задачу!

Итак, диод D_1 пропускает ток только в одном направлении, в те моменты, когда к нему приложено прямое смещение, что соответствует положительным полупериодам ( U_<вх>gt0 ) входного сигнала. Когда к диоду будет приложено обратное смещение (отрицательные полупериоды), он будет закрыт и по цепи будет протекать только незначительный обратный ток. И в результате сигнал на нагрузке будет выглядеть так:

Обратным током обычно можно пренебречь, поэтому в итоге мы получаем, что ток через нагрузку протекает только в одном направлении. Но назвать его постоянным не представляется возможным Ток через нагрузку хоть и является выпрямленным (протекает только в одном направлении), но носит пульсирующий характер.

Для сглаживания этих пульсаций в схему выпрямителя тока обычно добавляется конденсатор:

Идея заключается в том, что во время положительного полупериода, конденсатор заряжается (запасает энергию). А во время отрицательного полупериода конденсатор, напротив, разряжается (отдает энергию в нагрузку).

Таким образом, за счет накопленной энергии конденсатор обеспечивает протекание тока через нагрузку и в отрицательные полупериоды входного сигнала. При этом емкость конденсатора должна быть достаточной для того, чтобы он не успевал разряжаться за время, равное половине периода.

Проверяем напряжение на нагрузке для этой схемы:

В точке 1 конденсатор заряжен до напряжения U_1 . Далее входное напряжение понижается, а конденсатор, в свою очередь, начинает разряжаться на нагрузку. Поэтому выходное напряжение не падает до нуля вслед за входным.

В точке 2 конденсатор успел разрядиться до напряжения U_2 . В то же время значение входного сигнала также становится равным этой же величине, поэтому конденсатор снова начинает заряжаться. И эти процессы в дальнейшем циклически повторяются.

А теперь поэкспериментируем и используем в схеме однополупериодного выпрямителя конденсатор меньшей емкости:

И здесь мы видим, что конденсатор из-за меньшей емкости успевает разрядиться гораздо сильнее, и это приводит к увеличению пульсаций, а следовательно к ухудшению работы всей схемы.

На промышленных частотах 50 – 60 Гц однополупериодный выпрямитель практически не применяется из-за того, что для таких частот потребуются конденсаторы с очень большой емкостью (а значит и внушительными габаритами).

Смотрите сами, чем ниже частота, тем больше период сигнала (а вместе с тем, и длительности положительного и отрицательного полупериодов). А чем больше длительность отрицательного полупериода, тем дольше конденсатор должен быть способен разряжаться на нагрузку. А это уже требует большей емкости.

Таким образом, на более низких частотах в силу своих ограничений эта схема не нашла широкого применения. Однако, на частотах в несколько десятков КГц однополупериодный выпрямитель используется вполне успешно.

Рассмотрим преимущества и недостатки однополупериодного выпрямителя:

• К основным достоинствам схемы, в первую очередь, конечно же, можно отнести простоту и, соответственно, небольшую себестоимость – используется всего один диод.
• Кроме того, снижено падение напряжения. Как вы помните, при протекании тока через диод на нем самом падает определенное напряжение. По сравнению с мостовой схемой (которую мы разберем в следующей статье), ток протекает только через один диод (а не через два), а значит и падение напряжения меньше.

Основных недостатков также можно выделить несколько:

• Схема использует энергию только положительного полупериода входного сигнала. То есть половина полезной энергии, которую также можно было бы использовать, уходит просто в никуда. В связи с этим КПД выпрямителя крайне низок.
• И даже с использованием сглаживающих конденсаторов величина пульсаций довольно-таки значительна, что также является очень серьезным недостатком.

Итак, давайте резюмируем! Мы разобрали схему и принцип работы однофазного однополупериодного выпрямителя тока, а в следующей статье перейдем к более сложным схемам выпрямителей, не пропустите!

1. недостаточную эмиссию катода;
2. недостаточную механическую прочность катода, испытывающего механическую нагрузку в электрическом поле;
3. необходимость достигнуть высокого значения величины напряжения обратного зажигания;
4. уменьшить энергию, рассеиваемую на аноде;
5. не допустить возникновения рентгеновского излучения, получающегося при большом падении напряжения на кенотроне.

Содержание материала

• Высоковольтное испытательное оборудование и измерения
• Высоковольтные испытательные трансформаторы
• Последовательное соединение испытательных трансформаторов
• Регулирование и стабилизация напряжения на зажимах трансформатора
• Принцип действия резонансного трансформатора высокой частоты
• Устройство резонансных трансформаторов высокой частоты
• Индуктор
• Основы теории и классификация электростатических генераторов
• Развитие электростатических генераторов
• Принцип действия электростатических генераторов с транспортерами-проводниками
• Условия увеличения мощности электростатических генераторов
• Схемы устройства и конструкции электростатических генераторов с транспортерами-проводниками
• Физические основы действия электростатических генераторов с транспортером-диэлектриком
• Устройство и принцип действия электростатического генератора с движущейся лентой
• Измерение и стабилизация напряжения электростатического генератора с движущейся лентой
• Описание конструкций электростатических генераторов c движущейся лентой
• Принцип действия роторных электростатических генераторов с транспортером-диэлектриком
• Описание и технические характеристики роторных электростатических генераторов
• Характеристики электростатических генераторов
• Электростатические трансформаторы
• Ядерные генераторы
• Выпрямители и некоторые схемы выпрямления переменного тока
• Схемы умножения напряжения
• Схемы каскадных генераторов для получения больших токов при малой пульсации
• Электрические схемы каскадных генераторов с параллельным питанием ступеней
• Некоторые выполненные каскадные генераторы
• Принцип работы генератора импульсных напряжений
• Расчет зарядной схемы генератора импульсных напряжений
• Анализ и расчет разрядной схемы многоступенчатого генератора импульсных напряжений
• Описание конструкций и устройство элементов генераторов импульсных напряжений
• Схемы и установки для синхронизированного получения напряжений и токов
• Конструкции импульсных трансформаторов
• Общие сведения об измерениях на высоком напряжении
• Генерирующие вольтметры
• Измерение переменных и постоянных напряжений разрядниками
• Измерение амплитуды импульсных и высокочастотных напряжений разрядниками
• Делители для измерения постоянного и переменного напряжений
• Некоторые физические процессы в электронно-лучевых трубках
• Схемы осциллографов для записи одноплатных явлений
• Клидонограф и его применение
• Измерение импульсных токов

Вследствие действия поверхностного заряда внутреннее падение напряжения в кенотроне может превышать нормальное в 3—15 раз. Бомбардировка анода электронами и влияние поверхностного заряда приводят к значительному разогреванию анода и возникновению рентгеновских лучей. Вследствие этого выпрямление больших токов с помощью кенотронов затруднительно.
При конструировании кенотрона на высокое напряжение и большой ток необходимо преодолеть следующие затруднения:

1. недостаточную эмиссию катода;
2. недостаточную механическую прочность катода, испытывающего механическую нагрузку в электрическом поле;
3. необходимость достигнуть высокого значения величины напряжения обратного зажигания;
4. уменьшить энергию, рассеиваемую на аноде;
5. не допустить возникновения рентгеновского излучения, получающегося при большом падении напряжения на кенотроне.

Рис. 3-3. Схема устройства газотрона с обратным напряжением 250 кВ.

Рис. 3-6. Общий вид ртутного выпрямителя на 130 кВ, 900 а
Для возможности преобразования напряжения 200 кВ выпрямители включены в шестифазную мостовую схему по три в каждом плече. Длительная эксплуатация в течение ряда лет опытной электропередачи постоянного тока доказала надежность работы данной схемы.

Недостатком дуговых выпрямителей является обгорание наконечников главных электродов, необходимость их периодической смены. Падение напряжения в дуговом выпрямителе в проводящий полупериод достигает нескольких сотен вольт, что влечет за собой значительные потери мощности в выпрямителе, снижение его к.п.д. и усложнение системы охлаждения. Коэффициент полезного действия дугового выпрямителя значительно ниже к. п. д. ртутного выпрямителя и составляет 97—97,5%.

Дуговые выпрямители пока не дают вполне удовлетворительного решения задачи применительно к целям электропередачи постоянным током высокого напряжения.

Рис. 3-8. Электрические схемы выпрямления переменного напряжения и формы кривой выпрямленного напряжения.

Рис. 3-9. Четырехвентильная мостовая схема выпрямления.

В продолжение каждой полуволны напряжения трансформатор нагружается равномерно и ток проходит через объект в течение большей части периода. На рис. 3-10 представлены кривые напряжения (1) и тока (2), получаемые на трубке.

Рис. 3-10. Кривые тока и напряжения на трубке в схеме рис. 3 9.

Особенностью схемы при малых нагрузках (1—2 мА) является сглаживание пульсации напряжения на объекте и выпрямителях. Причиной этого является медленный разряд на землю емкостей обмоток трансформаторов накала 3, 4 и 5 кенотронов и арматуры объекта испытания. Указанные емкости, будучи включенными параллельно объекту, сглаживают пульсацию напряжения на его зажимах.
На рис. 3-11,а представлена простейшая схема для выпрямления трехфазного тока.

Рис. 3-11. Простейшая схема для выпрямления трехфазного тока(а) и кривая выпрямленного напряжения (б).