Двухполупериодный выпрямитель: Двухполупериодный выпрямитель: схемы, принцип работы

Содержание

принцип работы, схемы и т.д.

Однополупериодный выпрямитель — это устройство или контур, проводящее во время одной половины цикла переменного тока. Однополупериодный выпрямитель состоит из трансформатора, полупроводникового диода (D1) и сопротивления (RL).

Обратите внимание на основы электричества и на приборы электроники.

Принцип действия однополупериодного выпрямителя

В этом примере сопротивление RL представляет нагрузку, хотя, на самом деле, нагрузкой может быть любой элемент или группа элементов, которая может вызвать падение напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии прямого подключения — положительный электрический потенциал воздействует на его анод, а отрицательный потенциал воздействует на его катод. Когда D1 находится в состоянии прямого подключения, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки трансформатора, через сопротивление нагрузки, через диод, обратно к положительной стороне вторичной обмотки. Поскольку ток протекает через сопротивление нагрузки, в нём происходит падение напряжения; ток, выходящий из выпрямительного контура появляется в виде положительной полуволны на сопротивлении нагрузки.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

В течение второй половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии обратного подключения — на его анод воздействует отрицательный электрический потенциал, а положительный электрический потенциал воздействует на его катод. Этот диод не проводит, поэтому в сопротивлении нагрузки RL никакое напряжение не присутствует.

Однополупериодный выпрямитель в состоянии обратной проводимости D1

Как видно по форме кривой, у однополупериодных выпрямителей только одна полуволна постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе. По этой причине в оборудованиях обычно не применяются однополупериодные выпрямители; когда они используются, они обычно устанавливаются в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не бывают причиной для беспокойства.

Форма кривой выходного сигнала однополупериодного выпрямителя

Двухполупериодный мостовой выпрямитель

⇐ ПредыдущаяСтр 4 из 9Следующая ⇒

Двухполупериодные мостовые выпрямители часто используются для построения не стабилизированных источников питания.
Источник, показанный на рис. 5.7, выполнен на основе такого выпрямителя и обладает характеристиками, которые полностью идентичны характеристикам двухполупериодного выпрямителя с выводом нулевой точки. Все компоненты в приведенной схеме имеют такие же параметры, как и параметры элементов источника с выводом средней точки трансформатора. Отличие состоит в конфигурации собственно выпрямителя, а также в том, что вторичная обмотка трансформатора имеет только два вывода и напряжение на ней равно 12,6 В при 115 В входного напряжения.
Известно, что в мостовом выпрямителе для получения выходного напряжения используются две полуволны переменного входного напряжения. Поэтому, как и в двухполупериодном выпрямителе с выводом нулевой точки, частота пульсаций выходного напряжения вдвое больше частоты сети, что облегчает фильтрацию этого напряжения.

В последнее время двухполупериодный выпрямитель становится все более популярным, если применяются полупроводниковые выпрямительные диоды.
Двухполупериодный мостовой выпрямитель в настоящее время можно предпочесть и из соображений экономии..
Сетевой трансформатор обычно является самым дорогим компонентом в не стабилизированных источниках питания с полупроводниковыми выпрямителями. Если говорить о рассмотренных схемах, то трансформатор с выводом нулевой точки и общим вторичным напряжением 25,2 В обычно дороже трансформатора с общей вторичной обмоткой с выходным напряжением 12,6 В. Поэтому источник с двухполупериодным мостовым выпрямителем, как правило, более предпочтителен, чем источник, использующий выпрямитель с выводом нулевой точки.
Вторичная обмотка трансформатора двумя своими выводами включена в одну диагональ мостовой схемы, образованной двумя ветвями, каждая из которых состоит из двух последовательно соединенных диодов, при этом выводы обмотки соединяются с точками объединения разноименных электродов диодов (анода и катода).
В другую диагональ моста включен электролитический конденсатор, имеющий рабочее напряжение 50 В и емкость 500 мкФ. Конструктивно выпрямитель и фильтр лучше расположить на отдельной монтажной плате, при этом необходимо следить за правильностью объединения электродов диодов и полярностью подключения электролитического конденсатора, отрицательный электрод которого должен быть соединен с той точкой моста, где объединены аноды выпрямительных диодов.

 

Назначение, схема и принцип работы трехфазного выпрямителя

Трёхфазный выпрямитель (англ. Three phase rectifier) — устройство применяемое для получения постоянного тока из трёхфазного переменного тока системы Доливо-Добровольского

Принципиальная схема и осциллограммы напряжения в различных точках выпрямителя приведены на рисунке.

ФА, ФС, ФВ – напряжения на вторичных обмотках трехфазного трансформатора.

U va Uvb Uvc напряжение на нагрузке получаемое с соответствующего вентиля.

Uн – Суммарное напряжение на нагрузке.

Выпрямитель представляет собой однополупериодный выпрямитель для каждой из трех фазных вторичных обмоток. Все три вентиля имеют общую нагрузку.

Если рассмотреть осциллограммы напряжения на нагрузке при отключенном конденсаторе для каждой из трех фаз, то можно заметить, что напряжение на нагрузке имеет такой же уровень пульсаций как и в схеме однополупериодного выпрямления. Сдвиг фаз(т.е. сдвиг по времени) напряжений выпрямителей между собой в результате даст в 3 раза меньший уровень пульсаций, чем в однофазной однополупериодной схеме выпрямления.

Достоинства: Низкий уровень пульсаций выпрямленного напряжения.

Недостатки: Так же как и в однофазной однополупериодной схеме выпрямления низкий КПД, нерациональное использование трансформатора. Данный выпрямитель неприменим для обычной однофазной сети.

Принцип работыТрехфазные

выпрямители питаются от трехфазной сети переменного тока. В схему входит трехфазный трансформатор.

В интервале времени t1-t2 включается диод VD1. Сопротивление нагрузки питается от фазы "А"
В момент t2 происходит переключение диодов: закрывается диод VD1 и открывается диод VD2.
В интервале времени t2-t3 включается диод VD2. Сопротивление нагрузки питается от фазы "Б"
В момент t3 происходит переключение диодов: закрывается диод VD2 и открывается диод VD3.
В интервале времени t3-t4 включается диод VD3. Сопротивление нагрузки питается от фазы "Ц"
Суммарный ток, протекающий через сопротивление нагрузки равен сумме токов отдельных фаз. Коэффициент пульсации схемы равен 0.25 Коэффициент пульсаций - это отношение амплитуды наиболее резко выраженной гармонической составляющей напряжения или тока на выходе выпрямителя к среднему значению напряжения или тока.



Читайте также:

 

Двухполупериодные выпрямители

Введение

Выпрямитель - это механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования переменного входного электрического тока в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянное напряжение и ток, а пульсирующее однонаправленное напряжение и ток, для сглаживания пульсаций которого применяют фильтры.

Из распространенных схем неуправляемых выпрямителей (однополупериодных, двухполупериодных и мостовых) наиболее эффективны двухполупериодные. Сравнение основных их видов - со средней точкой и с удвоителем тока - показывает, что хотя оба выпрямителя имеют одинаковые динамические характеристики, удвоитель больше подходит для использования в области больших токов, так как в нем меньше соединений и потерь на вторичной стороне, а отсутствие средней точки дает возможность выбрать нечетное число витков.

Двухполупериодные выпрямители – это выпрямители, в которых ток через нагрузку будет протекать в одном и том же направлении за оба полупериода.

Двухполупериодные выпрямители могут строятся по мостовой или полумостовой схеме (когда, например, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов).

Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, например, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, (в отсутствии нагрузки), будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, (но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора - источника переменного тока - принять равным нулю) и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Выпрямители широко используются в схемах питания различных радиоэлектронных устройств. С помощью выпрямителей возможно преобразование постоянного тока одного напряжения в постоянный ток другого напряжения, что позволяет создать схемы питания с различными напряжениями при наличии одного источника энергии.

  1.  Литературный обзор двухполупериодных выпрямителей

Двухполупериодные схемы служат основой построения большинства источников питания, используемых в самых различных областях техники. Эти источники обеспечивают постоянным напряжением питания электромашинные приводы механизмов, технологические процессы, электронные устройства. Знание свойств источников питания необходимо инженеру для грамотной их эксплуатации.

Рассмотрим несколько схем двухполупериодных выпрямителей.

  1.  Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 - Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки.

Достоинствами данной схемы является то, что она имеет лучший коэффициент использования вентилей по току, меньшую расчётную мощность трансформатора, меньший коэффициент пульсации выпрямленного напряжения.

К недостаткам схемы следует отнести: плохое использование вентилей по напряжению, высокое обратное напряжение, прикладываемое к выпрямительным диодам, усложнённая конструкция трансформатора.

  1.  Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя представлена на рисунке 2.

 

Рисунок 2 - Схема однофазного двухполупериодного мостового выпрямителя.

Главным достоинством мостовой схемы являются: лучший коэффициент использования вентилей по напряжению, меньшая расчётная мощность трансформатора, благодаря этому мостовая схема широко применяется в установках малой и средней мощности, а также простота конструкции трансформатора.

  

Недостатками мостовой схемы являются: требуется строгая симметрия напряжений на обмотках, две обмотки вместо одной, большое обратное напряжение на диодах, удвоенное количество диодов по сравнению с выпрямителем со средней точкой. Однако суммарное сопротивление постоянному току двух диодов и обмотки мостового выпрямителя чаще оказывается меньше сопротивления одного диода и обмотки выпрямителя со средней точкой.

  1.  Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Схема двухполупериодного выпрямителя с удвоением напряжения.

Данную схему используют, когда трудно намотать многовитковую вторичную обмотку, или когда обмотка имеющегося трансформатора дает недостаточное напряжение. Схема удвоения (как и однополупериодного выпрямителя) имеет круто падающую нагрузочную характеристику. Кроме того, при пробое одного из диодов переменное напряжение оказывается приложенным к электролитическому конденсатору, что обычно приводит к его взрыву. Достоинством схемы является то, что конденсаторы несколько сглаживают пульсации выпрямленного тока. Недостатком является то, что данную схему нельзя применять для получения выпрямленного напряжения свыше 200-300 В, так как возможен пробой изоляции в кенотроне между катодами и нитью накала.


4) Схема двухполупериодного выпрямителя с умножением напряжения представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Схема двухполупериодного выпрямителя с умножением напряжения.

Достоинством приведенной схемы является возможность получения высоких напряжений без высоковольтного трансформатора. Кроме того, конденсаторы должны иметь рабочее напряжение лишь 2Ет независимо от того, в какое число раз умножается напряжение, и каждый вентиль работает при максимальном обратном напряжении, равном только 2Ет. Если вентили имеют катод, требующий накала (например, кенотроны), то для каждого из них нужна отдельная обмотка накала. Удобнее применять в подобных схемах полупроводниковые вентили.

Недостатком данной схемы является то, что при включении нагрузочного сопротивления конденсаторы будут разряжаться, и напряжение на них понизится. Чем меньше сопротивление нагрузки, тем быстрее разряжаются конденсаторы и тем ниже становится напряжение на них. Поэтому при недостаточно больших сопротивлениях нагрузки использование подобных схем становится нерациональным.

В соответствии с курсовыми данными, в наибольшей мере схема однофазного двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки соответствует заданным условиям, поэтому в дальнейшем будем опираться на данную схему.

  1.  Разработка структурной схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

Электрическая структурная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 5.

ИПрН - источник переменного напряжения,

Т - трансформатор,

Н - активная нагрузка,

АЭ - активные элементы VD1 и VD2.

Рисунок 5 - Структурная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

При включении сетевого напряжения (блок 1) на каждой половине вторичной обмотки трансформатора возникает напряжение. Трансформатор (блок 2) требуется для повышения или понижения вторичного напряжения при заданном первичном. Соотношение чисел витков вторичной и первичной обмоток трансформатора определяется величиной постоянного напряжения на выходе выпрямителя.

Вторичные обмотки трансформатора подключены к активным элементам диодам - VD1 и VD2 (блок 3). Диодом называют нелинейный элемент, обладающий весьма малым сопротивлением протеканию тока в прямом направлении по сравнению с обратным.

Ток проходит через один из диодов, затем через активную нагрузку (блок 4) и снова попадает на трансформатор.  Активная нагрузка - это полезная мощность, отбираемая любой нагрузкой из электросети и преобразуемая в дальнейшем в любой вид энергии (механическую, тепловую, электрическую и т.п.).

В следующий полупериод полярность на концах обмотки меняется на обратную, и ток проходит через второй диод. Таким образом, переменный ток преобразуется в постоянный.

  1.  Выбор принципиальной схемы двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

Электрическая принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Принципиальная схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки

При включении сетевого напряжения U1 на каждой половине вторичной обмотки трансформатора возникает напряжение U2. В первый полупериод (в интервале времени от 0 до Т/2), когда потенциал точки 1 является положительным относительно точки 0, ток I21 проходит через диод VD1, нагрузку Rн и возвращается к точке 1, через половину вторичной обмотки.

В следующий полупериод полярность на концах обмотки меняется на обратную; диод VD1 закрывается, а диод VD2 открывается. С этого момента проводящим становится диод VD2 и через него начинает протекать ток I22; пройдя через нагрузку, он замыкается через вторую половину вторичной обмотки. Таким образом, через сопротивление нагрузки Rн поочерёдно проходят в одном и том же направлении токи I21 и I22. Эти токи будут одинаковыми, если схема симметрична. Так переменный ток преобразуется в постоянный.

Напряжения U21-0 и U20-2, измеренные на концах 1 и 2 вторичной обмотки трансформатора относительно средней точки 0, являются противофазными.

  1.  Расчёт двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки
  1.  Исходные данные
    1.  При расчёте схемы заданными являются величины:

- выпрямленное напряжение на входе фильтра Uн=27В;

- выпрямленный ток Iн=0,5А;

- мощность нагрузки  Рн=13,5Вт;

- напряжение сети Uc=220В;

- частота сети f=50Гц

- коэффициент пульсации Кп=0,1

  1.  Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки представлена на рисунке 7.

Рисунок 7 - Схема двухполупериодного выпрямителя с выводом от средней точки.

  1.  Особенности расчёта схемы
    1.  Выбор типа диодов.

Определяем обратное напряжение:

Средний ток равен:

Выбираем диод типа КД205Е ГОСТ 94342-69 с 

  1.  Расчёт трансформатора.

Определяем сопротивление трансформатора:

Напряжение на вторичной обмотке трансформатора равно:

Токи соответственно равны:

Вычисляем габаритную мощность трансформатора, которая для двухполупериодной схемы определяется выражением:

и находим произведение площади сечения сердечника трансформатора Qc на площадь окна сердечника Qо, которое в зависимости от марки провода обмотки равно:

 для провода марки ПЭЛ;

для провода марки ПЭШО;

 для провода марки ПШД.

Выбираем для нашего примера провод марки ПЭЛ. При этом получаем

Из таблицы «Основные данные типовых Ш-образных пластин трансформатора», по значению QcQо выбираем для сердечника трансформатора пластины типа Ш25 с Qо=15см2, шириной среднего стержня сердечника a=2,5 см, высотой окна h =2,5см и шириной окна b =2,5 см. При этом получаем:

Необходимая толщина пакета пластин будет равна:

Отношение

Определяем число витков  и толщину провода  d первичной и вторичной обмоток трансформатора:

4.2.3 Расчёт сопротивления нагрузки (Rн).

Определяем напряжение нагрузки:

Рассчитываем сопротивление нагрузки:

Выбираем резистор нагрузки типа ПЭВ-100 56 регулируемый до 56 Ом

ГОСТ 7113-77

Заключение

Двухполупериодный выпрямитель может строиться по мостовой или полумостовой схеме, в случае выпрямления однофазного тока, используется специальный трансформатор с выводом от средней точки вторичной обмотки и вдвое меньшим количеством выпрямляющих ток элементов. Такая схема ныне применяется редко, так как более металлоёмка и имеет большее эквивалентное активное внутреннее сопротивление, то есть большие потери на нагрев обмоток трансформатора. При построении двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором следует всегда помнить, что переменное напряжение всегда измеряется в «действующем» значении, которое в 1,41 раза меньше его максимальной амплитуды, а выпрямленное напряжение на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет всегда равно амплитудному. Это означает, что, при измеренном напряжении однофазного переменного тока 12 вольт до мостового однофазного выпрямителя со сглаживающим конденсатором, на конденсаторе, в отсутствии нагрузки, будет напряжение до 17 вольт. Под нагрузкой выпрямленное напряжение будет ниже, но не ниже величины действующего напряжения переменного тока, если внутреннее сопротивление трансформатора - источника переменного тока - принять равным нулю и зависеть от ёмкости сглаживающего конденсатора.

Выбор величины переменного напряжения вторичной обмотки трансформатора, должен строиться исходя из максимальной допустимой величины подаваемого напряжения, а ёмкость сглаживающего конденсатора - должна быть достаточно большой, чтобы напряжение под нагрузкой не снизилось меньше минимально допустимого. На практике также учитывается неизбежное падение напряжения под нагрузкой - на сопротивлении проводов, обмотке трансформатора, диодах выпрямительного моста, а также возможное отклонение от номинального величины питающего трансформатор напряжения электрической сети.

Литература

  1.  Руденкова В. И. Основные узлы радиоэлектронной аппаратуры. Методика расчёта: Минск, 2008.
  2.  Ломов И. А., Сапожников Б. И. Выпрямители на полупроводниковых диодах: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993.
  3.  Галкин В.И. Промышленная электроника: Высшая школа, 1989.
  4.  Красько А.С., Скачко К.Г  Промышленная электроника: Высшая школа, 1984.
  5.  Напалков А.Я. Промышленная электроника: Минск, 1972.
  6.  Москатов Е.А. Справочник по полупроводниковым приборам: Таганрог, 2008.
  7.  Забродин Ю.С. Промышленная электроника: Высшая школа, 1992.
  8.  Гершунский Б.С. Расчёт электронных схем: Высшая школа, 1994.
  9.  Изъюрова Г.И. Расчёт электронных схем. Примеры и задачи: Высшая школа, 1987.
  10.  Степаненко И.П. Основы микроэлектроники: Лаборатория базовых знаний, 2001.
  11.  Кастров М.И. Электроника: наука, технология, бизнес: Электроника, 2004.

Нормативная документация

ГОСТ 2.301-68 ЕСКД. Форматы.

ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах.

СТП 7-02 Общие правила оформления дипломных, курсовых, практических работ.

ГОСТ 2.730-73 ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Приборы полупроводниковые.

ГОСТ 2.747-68* ЕСКД. Обозначения условные графические в схемах. Размеры условных графических обозначений.

ГОСТ 2.004-88 ЕСКД. Общие требования к выполнению конструкторских и технологических документов на печатающих и графических установках вывода ЭВМ.

ГОСТ 19.404-79 Пояснительная записка. Требования к содержанию и оформлению.

ГОСТ 2.302-68 ЕСКД. Масштабы.

ГОСТ 2.102-68* ЕСКД. Виды и комплектность конструкторских документов.


ИПрН

Н

АЭ

(VD1, VD2)

Двухполупериодный выпрямитель - fiziku5.ru

U0=I0RH=I2mRH/π

СоотношениемеждуU0 и действующим значением напряжения U2на зажимах вторичной обмотки трансформатора Тр находим из условия, что при RH>>Rпр. д. (Rпр. д. – прямое сопротивление диода) . Следовательно, =, откуда при следует, что .

В отрицательный полупериод к запертому диоду приложено обратное напряжение

Двухполупериодный выпрямитель (рис. 10.14) состоит из четырех диодов, включенных по мостовой схеме.

Рис 10.14

К диагонали мостаac подключена вторичная обмотка трансформатора, а к диагонали bd–сопротивление нагрузки .

В положительный полупериод напряжения , когда потенциал точки а выше потенциала точки с, открыты диоды и так проходит по цепи: т.а — — —— т.с .

В отрицательный полупериод напряженияU2, когда потенциал точки с выше потенциала точки а, открыты диоды и ток проходит по цепи: т.с — — —-т.а .

В обоих случаях ток через сопротивление нагрузки проходит в одном и том же направлении.

Постоянные составляющие тока и напряжения двухполупериодного выпрямителя в два раза больше, чем в однополупериодном

; .

Обратное напряжение, действующее на каждый диод, в данной схеме такое же, как в схеме однополупериодного выпрямителя: .

Трёхфазный выпрямитель (рис. 10.15), в котором вторичная обмотка трехфазного трансформатора, соединенная звездой с нулевым проводом, подключена к нагрузке через три диода. Ток через каждый диод протекает в течение 1/3 периода Т, когда напряжение фазной обмотки, с которой соединен диод, выше напряжения обмоток двух других фаз. Так, например, когда открыт диод через него и нагрузку проходит ток, определяемый . В это время диоды и заперты. В следующую треть периода открыт диод и т. д.

Рис 10.15

Постоянная составляющая выпрямленного тока в нагрузке:

Выпрямленное напряжение на нагрузке:

Максимальное значение обратного напряжения на каждом диоде определяется амплитудой линейного напряжения:

Выпрямитель на тиристоре.

В настоящее время широко распространение получили выпрямители с управляемыми полупроводниковыми диодами – тиристорами (рис. 10.16)

Рис 10.16

В отличии от схемы рис. 10.13 диод заменен на тиристорVS. Если в обычном выпрямителе момент открытия диода совпадает с началом положительной полуволны напряжения и ток через нагрузку проходят в течение всего этого полупериода, то в схеме рис. 10.16 тиристор VS открывается только при подаче на него управляющего импульса .

Рис 10. 17

Из рис. 10.17 видно, что начало действия управляющего импульса сдвинуто во времени на относительно начала периода напряжения , и ток в нагрузке протекает в течение времени (). Таким образом, появляется возможность автоматически регулировать напряжение на нагрузке, изменяя момент подачи управляющего импульса.

10.2.2. Сглаживающие фильтры

Для питания электронной аппаратуры допускается пульсация напряжения, не превышающая долей процента. Однако, на выходе выпрямителей пульсации значительно больше и для их уменьшения применяются сглаживающие фильтры.

Простейшим фильтром служит конденсатор, включенный на выходе выпрямителя (рис.10.18)

Рис 10.18

Когда напряжение на диоде VD, равное разности напряжения источника Uи напряжения на конденсаторе , положительное, то диод открыт и конденсатор заряжается. Как видно из графика рис. 10.19 зарядка происходит в интервале времени от и . Т. к. сопротивление диода VD весьма мало, конденсатор успевает зарядиться почти до U. Когда же , диод заперт и конденсатор медленно разряжается через нагрузку до тех пор, пока напряжение источника Uснова не станет больше (рис. 10.19).

Рис 10.19

Для дальнейшего снижения пульсаций применяются Г — образные и П — образные LC — фильтры (рис. 10.20 и 10.21)

Рис 10.20 Рис 10.21

Индуктивное сопротивление стремятся сделать значительно больше для того, чтобы переменные составляющие выпрямленного напряжения с частотами пульсаций от основной и выше «задерживаясь» фильтром в виде падения напряжения на , не достигая нагрузки.

Емкостные же сопротивления выполняют значительно меньше , чтобы переменные составляющие выпрямленного тока замыкались через , минуя . При этом постоянная составляющая тока, для которой , не создает падения напряжения на Lи не замыкается через , целиком поступая на нагрузку.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром

Лабораторная работа

«Выпрямление переменного тока».

Цель работы:

Сборка и экспериментальное изучение работы диодного моста и сглаживающего емкостного фильтра.

Теоретические основы.

Разберем схему работы простейшего выпрямителя, которая изображена на рисунке:

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в которомположительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD).

При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диодоткрывается. В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом).

При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диодзакрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока.

Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.
Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным.

Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.



Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости.

Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор () во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (). Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке () будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим.
В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

 

Диодный мост.

Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода.

На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста.
Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения.

Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Со вторичной обмотки трансформатора переменное напряжение поступает на вход диодного моста. Когда на верхнем (по схеме) выводе вторичной обмотки возникает положительный полупериод напряжения, ток идет через диод VD3, нагрузку , диод VD2 и к нижнему выводу вторичной обмотки (см. график а). Диоды VD1 и VD4в этот момент закрыты и через них ток не идет.

В течение другого полупериода переменного напряжения, когда плюс на нижнем(по схеме) выводе вторичной обмотки, ток идет через диод VD4, нагрузку , диодVD1 и к верхнему выводу вторичной обмотки (см. график б). В этот момент диодыVD2 и VD3 закрыты и ток через себя не пропускают.

В результате мы видим, что меняются знаки напряжения на вторичной обмотке трансформатора, а через нагрузку выпрямителя идет ток одного направления (см. график в). В таком выпрямителе полезно используются оба полупериода переменного тока, поэтому подобные выпрямители называют двухполупериодными.

И в заключении отметим, что работа двухполупериодного выпрямителя по сравнению с однопериодным получается намного эффективней:

1. Удвоилась частота пульсаций выпрямленного тока;
2. Уменьшились провалы между импульсами, что облегчило задачу сглаживания пульсаций на выходе выпрямителя;
3. Среднее значение напряжения постоянного тока примерно равно переменному напряжению, действующему во вторичной обмотке трансформатора.

А если такой выпрямитель дополнить фильтрующим электролитическим конденсатором, то им уже смело можно запитывать радиолюбительскую конструкцию.

Двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром

Рассмотрим двухполупериодный мостовой выпрямитель со сглаживающим емкостным фильтром рис.5.

Рис.5 Схема мостового выпрямителя с емкостным фильтром

Рис. 6 Временные диаграммы мостового выпрямителя с емкостным фильтром.

Из анализа временных диаграмм (рис. 4, рис.6) видно, что с изменением емкости конденсатора С будет изменяться значение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения. При этом, чем меньше разрядится конденсатор, тем меньше будут пульсации в выпрямленном токе Iн.
Постоянная времени разрядки конденсатора: τразр = С•Rн.

Оборудование:

- источник переменного тока G

- металлический лист для крепления элементов электрической цепи с помощью магнитных

держателей

- 4 диода

- резистор сопротивлением 20 кОм

- конденсатор емкостью 4700 мкФ

- конденсатор емкостью 1 мкФ

- плата для установки конденсаторов

- ключ электрический

- осциллографический датчик напряжения

Порядок выполнения работы:

1. Соберите электрическую цепь по схеме, изображенной на рис.1.Ключ оставьте в разомкнутом состоянии.

2. Подключите щупы канала№1(красный) осциллографического датчика к точкам C и D схемы,

щупы канала №2(синий) к точкам A и B; соедините датчик с компьютером с помощью USB-кабеля.

Запустите программу «Цифровая лаборатория» и после загрузки программы и опознавания

датчика выберите в списке работ сценарий 3.5. «Изучение свойств полупроводникового диода».

 

3.Замкните ключ, запустите измерения и понаблюдайте форму кривой зависимости напряжения

на источнике тока(синий график)и на нагрузке(красный график).В случае получения нечитаемой

осциллограммы измените настройки датчика. Остановив измерения перенесите полученные

осциллограммы в отчет.

4.Сравните частоты входного и выходного напряжений.

5. Разомкните ключ и включите в цепь конденсатор емкостью 4700 мкФ, как показано в схеме,

изображенной на рис. 2. Замкните ключ, запустите измерения и понаблюдайте форму кривой зависимости напряжения на источнике тока(синий график)и на нагрузке(красный график).

Остановив измерения перенесите полученные осциллограммы в отчет.

6. Разомкните ключ и замените конденсатор емкостью 4700 мкФ на конденсатор емкостью 1 мкФ,

который предварительно установите на специальной плате. Замкните ключ, запустите

измерения и понаблюдайте форму кривой зависимости напряжения на нагрузке (красный

график). Остановите измерения и перенесите полученные осциллограммы в отчет.

7. Объясните различие красных осциллограмм в п.п.5. и 6.

 

В данной работе в качестве источника переменного тока можно использовать звуковую

карту компьютера, в которой под управлением программы «Генератор» происходит создание сигналов определенной формы.

При этом при сборке электрической цепи (п.1.) в качестве источника тока берется плата, имеющая возможность подключения к аудио выходу компьютера, куда традиционно подключаются наушники. Клемма «+» на плате соответствует «земле» звуковой карты.

После включения сценария 3.5.запустите программу «Генератор», нажав кнопку

верхнего меню. В настройках обоих каналов генерации установите форму сигнала «синус»

с частотой 50 Гц, амплитуду 100% (см. рисунок) и запустите генерацию, нажав кнопку

«Проиграть».

 

ВНИМАНИЕ! При завершении работы не забудьте перед отсоединением кабеля

источника тока от аудио выхода открыть окно «Генератора» и выключить подачу сигнала на аудио выход. В противном случае придется вам и вашим соседям в течение некоторого времени слушать неприятный звук, льющийся с встроенных динамиков компьютера!

 

Схема двухполупериодного (полноволнового) выпрямителя напряжения

Обычное питание от распределительной сети предполагает переменное напряжение. Это напряжение можно легко настроить на желаемый уровень, пользуясь встроенными или внешними трансформаторами. Однако многие электронные компоненты, например, электролитические конденсаторы, светодиоды, диодные элементы и транзисторы не предназначены для работы на переменном токе. Для управления цепями с такими компонентами переменное напряжение необходимо преобразовывать в соответствующее постоянное. Для этого служат выпрямители.

Выпрямитель тока

Полуволновой выпрямитель

Для создания выпрямителей требуются элементы, пропускающие ток в одном направлении и блокирующие в другом. Раньше для этой цели использовались электронные лампы. Сейчас повсеместно применяются полупроводниковые диоды.

Простейший однофазный однополупериодный выпрямитель представляет собой обычный диод, подключенный последовательно с нагрузкой. Когда положительная полуволна синусоидального сигнала проходит через диод, он ее пропускает. Однако при перемене направления тока в другой полупериод диод запирается. В результате отрицательный полупериод токового сигнала блокируется, и остается пульсирующий ток, состоящий из положительных полуволн. Часть энергии будет потеряна. Кроме того, высокая пульсация сигнала часто становится неприемлемой для работы электронных схем.

Однофазный полуволновой выпрямитель

Можно использовать усовершенствованную схему однополупериодного выпрямителя, включив параллельно нагрузке конденсатор. Схема работает следующим образом:

  1. Если на полюсе источника присутствует положительное напряжение, диод проводит ток. Конденсатор заряжается полностью, а ток проходит через сопротивление нагрузки;
  2. Когда на полюсе источника появляется отрицательное напряжение, диод блокирует протекание тока. В этот момент конденсатор разряжается, поддерживая на короткий временной промежуток ток через сопротивление нагрузки.

Важно! Если резистор обладает большим сопротивлением, то ток будет маленький. Конденсатор разряжается медленно и поддерживает напряжение в основном до следующей смены полярности.

Полуволновое выпрямление с конденсатором

Такой однофазный однополупериодный выпрямитель с конденсатором имеет меньший уровень пульсации, однако его эффективность все равно оставляет желать лучшего.

Полноволновой выпрямитель

Преимущества двухполупериодного выпрямителя:

  1. Полуволновой выпрямитель обеспечивает только половину доступной энергии в волне переменного тока. Во время отрицательной части цикла напряжение может падать до нуля. Двухполупериодный выпрямитель сохраняет до 90% энергии;
  2. Диод работает как односторонний переключатель, позволяя току протекать только в одном направлении. Однако высокое обратное напряжение может разрушить диод. Из-за этого диоды откалиброваны на обратное напряжение. Полноволновой выпрямитель снижает требования по обратному пробою наполовину. Диоды с более низкой калибровкой дешевле, снижается стоимость всей схемы. Это относится к мостовым схемам;
  3. При применении двухполупериодного выпрямителя сигнал более плавный из-за лучшего сглаживания пульсаций.

Полноволновой выпрямитель с нулевым выводом

Двухполупериодная схема выпрямителя преобразует оба полуцикла переменного сигнала в импульсный сигнал однонаправленного тока.

Для выпрямления сигнала используется трансформатор, вторичная обмотка которого поделена пополам. От средней точки сделан вывод и заземлен, то есть потенциал ее равен нулю. Промежуточный отвод является одним из выходов мощности, а другой выход образуется соединением каждого конца обмотки через соответствующие диоды.

Полноволновой выпрямитель с нулевой точкой

  1. Во время положительного полупериода входного переменного сигнала на одном конце обмотки появляется «плюс», а на другом – «минус». Диод, подключенный анодным выводом к «плюсу», пропускает токовый сигнал. А другой диод, на анодном выводе которого «минус», оказывается запертым. Ток, протекая по нагрузке, возвращается к центральной точке;
  2. Когда появляется отрицательная полуволна, полярность концов обмоток меняется. Соответственно, первый диод запирается, а второй – пропускает сигнал.

В результате по нагрузке проходит ток и в положительные полуциклы, и в отрицательные, но результирующий сигнал будет протекать в одном направлении. Величина постоянного напряжения будет составлять 0,9 от входного среднеквадратичного показателя и 0,637 – от максимального. Частота выходного сигнала увеличивается в два раза.

Можно получать другие значения выходного напряжения, если изменять коэффициент трансформации.

Важно! Двухполупериодный выпрямитель со средней точкой позволяет получить выпрямленный ток с низкими потерями мощности и с невысокой пульсацией, но применяемые трансформаторы дороги и имеют большие габариты по сравнению с диодными мостами.

Диодный мост

Схема двухполупериодного выпрямителя, называемая диодный мост, использует четыре диода, соединенных с образованием замкнутого контура, к одной стороне которого подсоединяется источник питания переменного тока, к другой – нагрузка.

Применяемая конфигурация позволяет работать поочередно на пропуск сигнала парам диодов, находящимся в противоположных плечах моста. В каждом случае создается положительная полуволна, а ток через нагрузку остается однонаправленным.

Диодный мост

Коэффициент пульсаций мостового выпрямителя составляет 0,48, аналогично другой схеме, с применением трансформатора.

Мостовая схема выпрямления проста и эффективна. Недостатком ее является падение напряжения на диодных элементах. Один из них обеспечивает падение напряжения в 0,7 В, второй – в 1,4 В. Этот дефект может существенно сказаться только на работе низковольтных схем.

Сглаживание пульсаций

Возможно улучшить сигнал двухполупериодного выпрямителя, применяя конденсаторы, которые повышают средний уровень выходного напряжения и делают его более плавным.

Во время первой полуволны конденсатор заряжается до максимума, а при снижении сигнала напряжение на нем не может быстро упасть. Разряд конденсатора происходит до определенного уровня, на котором поддерживается напряжение до зарядного импульса второй полуволны. При большей емкости конденсатора уровень поддерживаемого напряжения растет.

Трехфазный выпрямитель

Если вместо однофазного трансформатора использовать трехфазный, коэффициент пульсаций может быть уменьшен в значительной степени.

Важно! Существенным преимуществом трехфазной схемы является то, что выпрямленное напряжение не падает до нуля, даже если не используется сглаживающее устройство.

Мостовая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя легко преобразуется в трехфазную. Схема выпрямления использует шесть диодов. Каждая фаза включается между парами диодов. Ток, протекающий через один диод, равен 1/3 нагрузочного тока. Выпрямленное напряжение превышает аналогичный показатель для трехфазного полуволнового выпрямителя, использующего три диодных элемента.

Трехфазная выпрямительная схема

Трехфазный тип расположения мостов является предпочтительным в различных применениях, хотя существуют схемы и с использованием разделенных вторичных обмоток трансформатора.

Использование двухполупериодного выпрямителя

Полноволновой выпрямитель широко используется в электронных схемах: радиоприемниках, телевизорах, компьютерах, видеооборудовании и других, где необходим источник питания с минимальным уровнем пульсаций.

Независимо от существования других форм выпрямителей, самый простой и часто применяемый – мостовой выпрямитель с четырьмя диодами и конденсатором. Два из них пропускают положительные половины циклов, другие два – отрицательные, а конденсатор отвечает за поддержание результирующего напряжения до момента изменения полярности ИП.

В схемах выпрямителей диоды могут быть полностью или частично заменены тиристорами, так что можно получить управляемую или полууправляемую систему выпрямления. Эти системы позволяют регулировать среднее значение напряжения на нагрузке. Замена диода на тиристор позволяет задержать открытие элемента, который пропускает ток, при подаче импульса на его управляющий электрод.

Выпрямительные схемы на мощных элементах применяют для установок электролиза, сварочных аппаратов, питания электротранспорта, прокатных станов, систем передачи электрической энергии на постоянном токе.

Видео

Оцените статью:

Что такое полноволновой выпрямитель

Привет, друзья, надеюсь, у вас все отлично. В сегодняшнем руководстве мы обсудим , что такое полноволновой выпрямитель. Преобразование переменного тока в постоянный называется выпрямлением. Это преобразование может быть выполнено с использованием одного диода или нескольких диодов. Диод, который используется для выпрямления, называется выпрямителем. Существует 2 основные категории выпрямителей: первая - полуволновые, а вторая - двухполупериодные.В схеме полуволнового выпрямления используется только один диод для преобразования переменного тока в постоянный. Таким образом, его можно легко спроектировать для исправления. Но у него есть один недостаток: он преобразует половину волны переменного тока в постоянный ток. Из-за этого в этой схеме больше потери мощности. Этот выпрямитель также не подходит для таких применений, где требуется чистый постоянный ток. Для двухполупериодного выпрямления был введен двухполупериодный выпрямитель, который использует более одного диода и преобразует полную форму волны переменного тока в постоянный ток. В сегодняшнем посте мы рассмотрим его схему, сравнение с другими выпрямителями, использование и некоторые другие связанные термины. Итак, давайте начнем с What is Full Wave Rectifier .

Что такое полнополупериодный выпрямитель

  • Двухполупериодный выпрямитель представляет собой такую ​​схему, которая преобразует полную синусоидальную форму волны переменного тока в постоянный ток.
  • Из приведенной схемы видно, что схема выпрямителя полностью преобразовала переменный сигнал в постоянный ток.
  • Существует 2 основных типа схем двухполупериодного выпрямления: первая - с отводом по центру, другая - мостовой выпрямитель.
  • Обе обсудим подробно.
  • Во-первых, мы обсудим схему выпрямителя с центральным отводом. Для изучения этого выпрямления сначала мы обсудим трансформатор с центральным отводом, который является важным компонентом схемы выпрямления с центральным отводом.
Трансформатор с центральным ответвлением
  • Как мы уже знаем, у трансформатора есть 2 основные обмотки, первая - первичная, а другая - вторичная.
  • Если мы подключим дополнительный проводник к центру вторичной обмотки, то трансформатор называется центральным отводом.
  • Этот трансформатор работает как обычный трансформатор, но он обеспечивает дополнительную функцию трансформатора.
  • То есть напряжение, идущее от первичной обмотки к вторичной, делится на 2 части.
  • Одна часть вторичной обмотки - это положительная полуволна, а другая - отрицательная полуволна, наше общее выходное напряжение будет суммой этих двух напряжений.

Vt = (V1 + V2)

  • Эта особенность центрированного отводного трансформатора используется в процессе выпрямления.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением

  • В этой схеме выпрямления имеется один трансформатор с центральным отводом и 2 диода, которые используются для преобразования переменного тока в постоянный.
  • Из схемы видно, что входное переменное питание подается на первичную обмотку трансформатора, а на вторичной стороне дополнительный проводник подключен в центре вторичной обмотки.
  • Центральный проводник разделяет вторичную обмотку на 2 части, первая часть вторичной обмотки соединена с диодом (Dx), а другая часть - с диодом (Dy).

  • Оба этих диода также подключены к общему резистору RL, то есть сопротивлению нагрузки, которое он соединяет с трансформатором посредством ответвления.

Работа двухполупериодного выпрямителя с центральным отводом

  • Итак, в случае отрицательной половины волнового тока проходит через Dy, находящийся в прямом смещенном состоянии.
  • В заключение отметим, что диод Dx работает в положительной половине входного питания, а Dy - в отрицательной половине питания.
  • Таким образом, обе части входа преобразуются в постоянное напряжение. Данная диаграмма поясняет полное преобразование входного питания.

Полнополупериодный мостовой выпрямитель

  • Это другая категория схемы двухполупериодного выпрямителя, в этой схеме 4 диода соединены в виде мостов и преобразуют входной источник переменного тока в источник постоянного тока.
  • Его главное преимущество состоит в том, что для этой схемы не требуется специальный трансформатор с центральным отводом, что делает ее простой и менее дорогой.
  • Из схемы видно, что 4 диода подключены последовательно, и только 2 диода работают на каждую половину входного питания.
  • При наличии положительной половины на схеме диоды D1 и D2 будут работать, а отрицательные полупроводники D3 и D4 будут работать.
Положительный полупериод
  • Когда приходит положительная половина входной синусоиды, диоды D1 и D2 работают, а положительная половина напряжения питания преобразуется в постоянный ток.На данной диаграмме показано направление тока.
Отрицательный полупериод
  • Во время отрицательной половины напряжения питания будут работать только диоды D3 и D4 в прямом смещенном направлении.
  • Поскольку D1 и D2 работают в положительной половине, а D3 и D4 работают в отрицательной половине, наш выход будет двухполупериодным.
Итак, это подробная статья о двухполупериодном выпрямителе, если у вас есть какие-либо вопросы, задавайте их в комментариях, спасибо за чтение.

Что такое выпрямитель? Типы выпрямителей, работа и приложения

Различные типы выпрямителей - работа и применение

В электронике схема выпрямителя является наиболее часто используемой схемой, потому что почти каждое электронное устройство работает от постоянного тока , но доступность из источников постоянного тока ограничены, например, электрические розетки в наших домах обеспечивают переменного тока (переменного тока) .Выпрямитель - идеальный кандидат для этой работы в промышленности и дома для преобразования переменного тока в постоянный ток . Даже в наших зарядных устройствах для мобильных телефонов используются выпрямители для преобразования AC из наших домашних розеток в DC . Различные типы выпрямителей используются для определенных приложений.

В основном у нас есть два типа напряжения, которые широко используются в наши дни. Они бывают переменного и постоянного напряжения. Эти типы напряжения могут быть преобразованы из одного типа в другой с помощью специальных схем, разработанных для этого конкретного преобразования.Эти преобразования происходят повсюду.

Наши основные источники питания, которые мы получаем от электрических сетей, имеют переменный характер, и бытовые приборы, которые мы используем в наших домах, обычно требуют небольшого постоянного напряжения. Этот процесс преобразования переменного тока в постоянный получил название выпрямления. Преобразованию переменного тока в постоянный предшествует дальнейший процесс, который может включать фильтрацию, преобразование постоянного тока в постоянный и так далее. Одна из самых распространенных частей электронного блока питания - мостовой выпрямитель.

Для многих электронных схем требуется выпрямленный источник постоянного тока для питания различных основных электронных компонентов от доступной сети переменного тока. Простой мостовой выпрямитель используется в различных электронных силовых устройствах переменного тока.

Другой способ взглянуть на схему выпрямителя состоит в том, что можно сказать, что она преобразует токи, а не напряжения. Это имеет более интуитивный смысл, потому что мы больше привыкли использовать ток для определения природы компонента. Вкратце, выпрямитель принимает ток, который имеет как отрицательную, так и положительную составляющие, и выпрямляет его, так что остается только положительная составляющая тока.

Мостовые выпрямители широко используются в источниках питания, которые обеспечивают необходимое постоянное напряжение для электронного компонента или устройств.Наиболее эффективными коммутационными аппаратами, характеристики которых известны полностью, являются диоды. Теоретически вместо диодов можно использовать любой твердотельный переключатель, которым можно управлять или которым нельзя управлять.

Обычно выпрямители типа классифицируются на основе их мощности. В этой статье мы обсудим многие типы выпрямителей, такие как:

  • Однофазные выпрямители
  • Трехфазные выпрямители
  • Управляемые выпрямители
  • Неуправляемые выпрямители
  • Полуполупериодные выпрямители
  • Полноволновые выпрямители
  • Мостовые выпрямители
  • Центр. -Tapped Rectifiers

Что такое выпрямитель?

Выпрямитель - это электрическое устройство, состоящее из одного или нескольких диодов, которое преобразует переменного тока ( переменного тока ) в постоянный ток ( постоянного тока ).Он используется для выпрямления, где процесс ниже показывает, как он преобразует переменный ток в постоянный.

Что такое выпрямление?

Выпрямление - это процесс преобразования переменного тока (который периодически меняет направление) в постоянный ток (поток в одном направлении).

Типы выпрямителей

В основном выпрямители бывают двух типов:

  1. Неконтролируемый выпрямитель
  2. Управляемый выпрямитель

Мостовые выпрямители бывают многих типов, и оснований для классификации может быть множество, и это лишь некоторые из них. тип питания, конфигурации мостовой схемы, возможности управления и т. д.Мостовые выпрямители можно в целом разделить на одно- и трехфазные выпрямители в зависимости от типа входа, на котором они работают. Оба эти типа включают следующие дополнительные классификации, которые можно разделить на одно- и трехфазные выпрямители.

Дальнейшая классификация основана на коммутационных устройствах, используемых выпрямителем, а также на типах неуправляемых, полууправляемых и полностью управляемых выпрямителей. Некоторые типы выпрямителей обсуждаются ниже.

В зависимости от типа выпрямительной цепи выпрямители делятся на две категории.

  • Полупериодный выпрямитель
  • Двухполупериодный выпрямитель

Полупериодный выпрямитель преобразует только половину волны переменного тока в сигнал постоянного тока, тогда как двухполупериодный выпрямитель преобразует полный сигнал переменного тока в постоянный.

Мостовой выпрямитель - это наиболее часто используемый выпрямитель в электронике, и в этом отчете мы рассмотрим его работу и изготовление. Схема простого мостового выпрямителя - самый популярный метод двухполупериодного выпрямления.

Мы обсудим как управляемые, так и неуправляемые (полуволновые и полнополупериодные мостовые) выпрямители более подробно, со схемами и принципами работы, как показано ниже.

Неконтролируемый выпрямитель:

Тип выпрямителя, выходное напряжение которого не может контролироваться , называется неуправляемым выпрямителем .

Выпрямитель работает с переключателями. Переключатели могут быть различных типов, в широком смысле, управляемые переключатели и неуправляемые переключатели. Диод - это однонаправленное устройство, которое позволяет току течь только в одном направлении. Работа диода не контролируется, так как он будет работать до тех пор, пока он смещен в прямом направлении.

При конфигурации диодов в любом конкретном выпрямителе выпрямитель не полностью находится под управлением оператора, поэтому выпрямители такого типа называются неуправляемыми выпрямителями. Это не позволяет изменять мощность в зависимости от требований к нагрузке. Таким образом, этот тип выпрямителя обычно используется в источниках постоянного или фиксированного питания.

В неуправляемом выпрямителе используются только диоды, которые дают фиксированное выходное напряжение, зависящее только от входа AC .

Типы неуправляемых выпрямителей:

Неконтролируемые выпрямители далее делятся на два типа:

  1. Полуволновый выпрямитель
  2. Полноволновый выпрямитель
Полуволновый выпрямитель:

A Тип выпрямителя, который преобразует только полупериод преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC) известен как полуволновой выпрямитель.

  • Выпрямитель положительной полуволны:

Выпрямитель полуволны, который преобразует только положительный полупериод и блокирует отрицательный полупериод.

  • Выпрямитель с отрицательной полуволной:

Выпрямитель с отрицательной полуволной преобразует только отрицательных полупериода переменного тока в постоянный ток.

Во всех типах выпрямителей однополупериодный выпрямитель - это простейших из них всех, поскольку он состоит только из одиночного диода .

Диод пропускает ток только в одном направлении, известном как вперед смещение . Нагрузочный резистор RL включен последовательно с диодом.

Положительный полупериод:

Во время положительного полупериода вывод диода анод станет положительным, а катод станет отрицательным, известным как прямое смещение . И это позволит протекать положительному циклу.

Отрицательный полупериод:

Во время отрицательного полупериода анод станет отрицательным, а катод станет положительным, что известно как обратное смещение . Таким образом, диод заблокирует отрицательный цикл.

Двухполупериодный выпрямитель Википедия

Электрическое устройство, преобразующее переменный ток в постоянный ток

Выпрямитель представляет собой электрическое устройство, преобразующее переменный ток (AC), который периодически меняет направление, в постоянный ток (DC), который течет только в одном направлении. Обратную операцию выполняет инвертор.

Процесс известен как выпрямление , так как он «выпрямляет» направление тока.Физически выпрямители имеют ряд форм, в том числе ламповые диоды, влажные химические элементы, ртутно-дуговые клапаны, стопки пластин из меди и оксида селена, полупроводниковые диоды, кремниевые выпрямители и другие полупроводниковые переключатели на основе кремния. Исторически использовались даже синхронные электромеханические переключатели и двигатели. Ранние радиоприемники, называемые кристаллическими радиоприемниками, использовали «кошачий ус» из тонкой проволоки, прижимавшейся к кристаллу галенита (сульфида свинца), чтобы служить точечным выпрямителем или «детектором кристаллов».

Выпрямители имеют множество применений, но часто используются в качестве компонентов источников питания постоянного тока и систем передачи электроэнергии постоянного тока высокого напряжения. Выпрямление может выполнять другие функции, кроме генерирования постоянного тока для использования в качестве источника энергии. Как уже отмечалось, детекторы радиосигналов служат выпрямителями. В системах газового отопления для обнаружения пламени используется выпрямление пламени.

В зависимости от типа источника переменного тока и схемы выпрямителя выходное напряжение может потребовать дополнительного сглаживания для получения однородного устойчивого напряжения.Для многих применений выпрямителей, таких как источники питания для радио, телевидения и компьютерного оборудования, требуется постоянное постоянное напряжение (которое вырабатывается батареей). В этих приложениях выходной сигнал выпрямителя сглаживается электронным фильтром, который может быть конденсатором, дросселем или набором конденсаторов, дросселей и резисторов, за которым, возможно, следует регулятор напряжения для создания постоянного напряжения.

Более сложная схема, выполняющая противоположную функцию, то есть преобразование постоянного тока в переменный, называется инвертором.

Выпрямительные устройства []

До разработки кремниевых полупроводниковых выпрямителей использовались вакуумные ламповые термоэмиссионные диоды и металлические выпрямительные батареи на основе оксида меди или селена. [1] С появлением полупроводниковой электроники ламповые выпрямители устарели, за исключением некоторых энтузиастов лампового аудиооборудования. Для выпрямления мощности от очень низкого до очень большого тока используются полупроводниковые диоды различных типов (переходные диоды, диоды Шоттки и т. Д.) широко используются.

Другие устройства, которые имеют управляющие электроды, а также действуют как клапаны однонаправленного тока, используются там, где требуется нечто большее, чем простое выпрямление, например, когда требуется переменное выходное напряжение. В мощных выпрямителях, например, в выпрямителях постоянного тока высокого напряжения, используются кремниевые полупроводниковые устройства различных типов. Это тиристоры или другие твердотельные переключатели с управляемым переключением, которые эффективно работают как диоды, пропускающие ток только в одном направлении.

Выпрямительные цепи []

Выпрямительные цепи могут быть однофазными или многофазными. Большинство выпрямителей малой мощности для бытового оборудования однофазные, но трехфазное выпрямление очень важно для промышленных приложений и для передачи энергии в виде постоянного тока (HVDC).

Однофазные выпрямители []

Полупериодное выпрямление []

При полуволновом выпрямлении однофазного источника питания либо положительная, либо отрицательная половина волны переменного тока пропускается, а другая половина блокируется.Математически это ступенчатая функция (для положительного прохода, отрицательного блока): положительный проход соответствует функции линейного изменения, являющейся тождественной на положительных входах, отрицательная блокировка соответствует нулю на отрицательных входах. Поскольку на выходе достигает только половина входного сигнала, среднее напряжение ниже. Для однополупериодного выпрямления требуется один диод в однофазном питании или три в трехфазном питании. Выпрямители выдают однонаправленный, но пульсирующий постоянный ток; Полуполупериодные выпрямители производят гораздо больше пульсаций, чем двухполупериодные выпрямители, и для устранения гармоник частоты переменного тока на выходе требуется гораздо больше фильтрации.

Выходное постоянное напряжение без нагрузки идеального полуволнового выпрямителя для синусоидального входного напряжения составляет: [2]

Vrms = Vpeak2Vdc = Vpeakπ {\ displaystyle {\ begin {align} V _ {\ mathrm {rms}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {2}} \\ [8pt] V_ { \ mathrm {dc}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ end {align}}}

где:

V dc , V av - постоянное или среднее выходное напряжение,
В пик , пиковое значение фазных входных напряжений,
В действующее значение , среднеквадратичное значение выходного напряжения.
Двухполупериодное выпрямление []
Двухполупериодный выпрямитель на вакуумной лампе с двумя анодами.

Двухполупериодный выпрямитель преобразует всю форму входного сигнала в сигнал постоянной полярности (положительный или отрицательный) на выходе. Математически это соответствует функции абсолютного значения. Двухполупериодное выпрямление преобразует обе полярности входного сигнала в пульсирующий постоянный ток (постоянный ток) и обеспечивает более высокое среднее выходное напряжение. Требуются два диода и трансформатор с центральным ответвлением или четыре диода в мостовой конфигурации и любой источник переменного тока (включая трансформатор без центрального ответвления). [3] Одинарные полупроводниковые диоды, двойные диоды с общим катодом или общим анодом, а также четырех- или шестидиодные мосты изготавливаются как однокомпонентные.

Мостовой выпрямитель Гретца: двухполупериодный выпрямитель с четырьмя диодами.

Для однофазного переменного тока, если трансформатор с центральным ответвлением, два диода, соединенные спина к спине (катод-катод или анод-анод, в зависимости от требуемой выходной полярности) могут образовать двухполупериодный выпрямитель. Для получения того же выходного напряжения на вторичной обмотке трансформатора требуется в два раза больше витков, чем для мостового выпрямителя, но номинальная мощность остается неизменной.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным трансформатором отвода и 2 диодами.

Среднее и среднеквадратичное выходное напряжение холостого хода идеального однофазного двухполупериодного выпрямителя составляет:

Vdc = Vav = 2⋅VpeakπVrms = Vpeak2 {\ displaystyle {\ begin {align} V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} & = {\ frac {2 \ cdot V _ {\ mathrm {пик}}} {\ pi}} \\ [8pt] V _ {\ mathrm {rms}} & = {\ frac {V _ {\ mathrm {peak}}} {\ sqrt {2}}} \ end {выровнено }}}

Очень распространенные вакуумные лампы с двойным диодным выпрямителем содержат один общий катод и два анода внутри единой оболочки, что обеспечивает двухполупериодное выпрямление с положительным выходом.5U4 и 80 / 5Y3 (4-контактный) / (восьмеричный) были популярными примерами этой конфигурации.

Трехфазные выпрямители []

Однофазные выпрямители обычно используются в источниках питания для бытовой техники. Однако для большинства промышленных и мощных применений схемы трехфазного выпрямителя являются нормой. Как и однофазные выпрямители, трехфазные выпрямители могут иметь форму полуволновой схемы, двухполупериодной схемы с использованием трансформатора с центральным отводом или двухполупериодной мостовой схемы.

Тиристоры обычно используются вместо диодов для создания схемы, которая может регулировать выходное напряжение. Многие устройства, которые обеспечивают постоянный ток , вырабатывают трехфазного переменного тока. Например, автомобильный генератор переменного тока содержит шесть диодов, которые работают как двухполупериодный выпрямитель для зарядки аккумулятора.

Трехфазная, полуволновая схема []
Схема управляемого трехфазного полуволнового выпрямителя с тиристорами в качестве переключающих элементов без учета индуктивности питания

Для неуправляемой трехфазной полуволновой средней цепи требуется три диода, по одному на каждую фазу. Это простейший тип трехфазного выпрямителя, но он страдает от относительно высоких гармонических искажений в соединениях переменного и постоянного тока. Считается, что этот тип выпрямителя имеет количество импульсов, равное трем, поскольку выходное напряжение на стороне постоянного тока содержит три отдельных импульса на цикл частоты сети:

Пиковые значения Vpeak {\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}}} этого трехимпульсного напряжения постоянного тока вычисляются из среднеквадратичного значения VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}} входного фазного напряжения ( напряжение между фазой и нейтралью, 120 В в Северной Америке, 230 В в Европе при работе от сети): Vpeak = 2⋅VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {peak}} = {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}}.{\ circ} \ right) = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ Biggl [} - \ left (- {\ frac {\ sqrt {3 }} {2}} \ right) + {\ frac {\ sqrt {3}} {2}} {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {пик}}} {2 \ pi}}}

⇒ Vdc = Vav = 3⋅3⋅2⋅VLN2π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi}}} ⇒ Vav = 3⋅6⋅VLN2π {\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac { 3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {2 \ pi}}} ≈ 1,17 ⋅ VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}
Три -фазная двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом []
Схема управляемого трехфазного двухполупериодного выпрямителя с тиристорами в качестве переключающих элементов, с трансформатором с центральным отводом, без учета индуктивности питания

Если питание переменного тока подается через трансформатор с центральным ответвлением, можно получить схему выпрямителя с улучшенными характеристиками гармоник. Для этого выпрямителя теперь требуется шесть диодов, по одному на каждом конце каждой вторичной обмотки трансформатора. Эта схема имеет шесть импульсов, и, по сути, ее можно рассматривать как шестифазную полуволновую схему.

До того, как стали доступны твердотельные устройства, полуволновая схема и двухполупериодная схема с использованием трансформатора с центральным отводом очень широко использовались в промышленных выпрямителях с ртутно-дуговыми клапанами. [4] Это произошло потому, что три или шесть входов источника питания переменного тока можно было подавать на соответствующее количество анодных электродов на одном резервуаре, используя общий катод.

С появлением диодов и тиристоров эти схемы стали менее популярными, а трехфазная мостовая схема стала наиболее распространенной схемой.

Трехфазный мостовой выпрямитель неуправляемый []
Автомобильный генератор в разобранном виде с шестью диодами, составляющими двухполупериодный трехфазный мостовой выпрямитель.

Для неуправляемого трехфазного мостового выпрямителя используются шесть диодов, и схема снова имеет количество импульсов шесть. По этой причине его также обычно называют шестипульсным мостом.В упрощенном виде схему B6 можно рассматривать как последовательное соединение двух трехпульсных центральных цепей.

Для маломощных применений двойные диоды, соединенные последовательно, с анодом первого диода, соединенным с катодом второго, изготавливаются для этой цели как один компонент. У некоторых имеющихся в продаже двойных диодов есть все четыре клеммы, поэтому пользователь может настроить их для использования с однофазным разделенным питанием, полумостом или трехфазным выпрямителем.

Для приложений с более высокой мощностью обычно используется одно дискретное устройство для каждого из шести плеч моста.Для самых высоких мощностей каждое плечо моста может состоять из десятков или сотен отдельных устройств, включенных параллельно (где требуется очень большой ток, например, при выплавке алюминия) или последовательно (где требуются очень высокие напряжения, например, в высоковольтная передача электроэнергии постоянного тока). {\ circ} \ right) = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot {\ Biggl [ } - \ left (- {\ frac {1} {2}} \ right) + {\ frac {1} {2}} {\ Biggl]} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}}}

⇒ Vdc = Vav = 3⋅3⋅2⋅VLNπ {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot {\ sqrt {2}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi}}} ⇒ Vav = 3⋅6⋅VLNπ {\ displaystyle V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {6}} \ cdot V _ {\ mathrm {LN}}} {\ pi}}} ≈ 2,34 ⋅ VLN {\ displaystyle V _ {\ mathrm {LN}}}
3-фазный переменный ток входные, полуволновые и двухполупериодные выпрямленные формы выходных сигналов постоянного тока

Если трехфазный мостовой выпрямитель работает симметрично (как положительное и отрицательное напряжение питания), центральная точка выпрямителя на выходной стороне (или так называемый изолированный опорный потенциал) противоположна центральной точке трансформатора (или нейтральный проводник) имеет разность потенциалов в виде треугольного синфазного напряжения. По этой причине эти два центра никогда не должны быть соединены друг с другом, иначе могут протекать токи короткого замыкания. Таким образом, земля трехфазного мостового выпрямителя при симметричной работе развязана от нейтрального проводника или земли сетевого напряжения. При питании от трансформатора возможно заземление центральной точки моста при условии, что вторичная обмотка трансформатора электрически изолирована от напряжения сети, а точка звезды вторичной обмотки не находится на земле.common-mode3 {\ displaystyle V _ {\ mathrm {common-mode}} = {\ frac {{\ hat {v}} _ {\ mathrm {common-mode}}} {\ sqrt {3}}}}

Если схема работает асимметрично (как простое напряжение питания с одним положительным полюсом), как положительный, так и отрицательный полюса (или изолированный опорный потенциал) пульсируют напротив центра (или земли) входного напряжения аналогично положительные и отрицательные формы сигналов фазных напряжений. Однако различия в фазных напряжениях приводят к шестиимпульсному постоянному напряжению (в течение периода). Строгое отделение центра трансформатора от отрицательного полюса (в противном случае будут протекать токи короткого замыкания) или возможное заземление отрицательного полюса при питании от изолирующего трансформатора применимы, соответственно, к симметричной работе.

Трехфазный мостовой выпрямитель, управляемый []

В управляемом трехфазном мостовом выпрямителе вместо диодов используются тиристоры. Выходное напряжение уменьшается на коэффициент cos (α):

Vdc = Vav = 3⋅3⋅Vpeakπ⋅cos⁡α {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}

Или, выраженное через линейное входное напряжение: [5]

Vdc = Vav = 3⋅VLLpeakπ⋅cos⁡α {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos \ alpha}

Где:

В LLpeak , пиковое значение линейных входных напряжений,
В пиковое , пиковое значение фазных (фаза-нейтраль) входных напряжений,
α, угол включения тиристора (0, если для выпрямления используются диоды)

Приведенные выше уравнения действительны только в том случае, если ток не потребляется от источника переменного тока или в теоретическом случае, когда соединения источника переменного тока не имеют индуктивности. На практике индуктивность источника питания вызывает уменьшение выходного напряжения постоянного тока с увеличением нагрузки, обычно в диапазоне 10–20% при полной нагрузке.

Влияние индуктивности питания заключается в замедлении процесса переключения (называемого коммутацией) от одной фазы к другой. В результате при каждом переходе между парой устройств существует период перекрытия, в течение которого три (а не два) устройства в мосте проводят одновременно. Угол перекрытия обычно обозначается символом μ (или u) и может составлять 20–30 ° при полной нагрузке.

С учетом индуктивности питания выходное напряжение выпрямителя уменьшается до:

Vdc = Vav = 3⋅VLLpeakπ⋅cos⁡ (α + μ) {\ displaystyle V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm { LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha + \ mu)}

Угол перекрытия μ напрямую связан с постоянным током, и приведенное выше уравнение можно переформулировать как:

Vdc = Vav = 3⋅VLLpeakπ⋅cos⁡ (α) −6fLcId {\ displaystyle {V _ {\ mathrm {dc}} = V _ {\ mathrm {av}} = {\ frac {3 \ cdot V _ {\ mathrm {LLpeak}}} {\ pi}} \ cdot \ cos (\ alpha)} - {6fL _ {\ mathrm {c}} I _ {\ mathrm {d}}}}

Где:

L c , коммутирующая индуктивность на фазу
I d , постоянный ток
Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° без перекрытия Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца при альфа = 0 ° с углом перекрытия 20 °
Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа-углом 20 ° и углом перекрытия 20 ° Трехфазный мостовой выпрямитель Гретца с альфа = 40 ° и углом перекрытия 20 °
Двенадцатиимпульсный мост []
Двенадцатиимпульсный мостовой выпрямитель с тиристорами в качестве переключающих элементов. Один шестиимпульсный мост состоит из тиристоров с четными номерами, другой - из набора с нечетными номерами.

Хотя схемы шестипульсного выпрямителя лучше, чем однофазные или трехфазные однополупериодные выпрямители, они по-прежнему создают значительные гармонические искажения как на соединениях переменного, так и на постоянном токе. Для выпрямителей очень большой мощности обычно используется двенадцатипульсное мостовое соединение. Двенадцатиимпульсный мост состоит из двух шестиимпульсных мостовых схем, соединенных последовательно, причем их соединения переменного тока питаются от трансформатора питания, который обеспечивает сдвиг фазы на 30 ° между двумя мостами.Это подавляет многие характерные гармоники, создаваемые шестипульсными мостами.

Фазовый сдвиг на 30 градусов обычно достигается за счет использования трансформатора с двумя наборами вторичных обмоток: один соединен звездой (звездой), а другой - треугольником.

Выпрямители с умножением напряжения []

Переключаемый полный мост / удвоитель напряжения.

Простой однополупериодный выпрямитель может быть построен в двух электрических конфигурациях с диодами, направленными в противоположных направлениях, одна версия подключает отрицательную клемму выхода непосредственно к источнику переменного тока, а другая подключает положительную клемму выхода напрямую к переменному току. поставка.Комбинируя оба этих параметра с отдельным сглаживанием выходного сигнала, можно получить выходное напряжение, почти вдвое превышающее пиковое входное напряжение переменного тока. Это также обеспечивает отвод посередине, что позволяет использовать такую ​​схему в качестве источника питания с раздельной шиной.

Вариантом этого является использование двух последовательно соединенных конденсаторов для сглаживания выходного сигнала на мостовом выпрямителе, а затем установка переключателя между средней точкой этих конденсаторов и одной из входных клемм переменного тока. При разомкнутом переключателе эта схема действует как обычный мостовой выпрямитель. Когда переключатель замкнут, он действует как выпрямитель с удвоением напряжения. Другими словами, это позволяет легко получить напряжение примерно 320 В (± 15%, прибл.) Постоянного тока от любого источника питания 120 В или 230 В в мире, которое затем можно подать в относительно простой коммутируемый режим. источник питания. Однако для заданной желаемой пульсации значение обоих конденсаторов должно быть вдвое больше, чем значение одного конденсатора, требуемого для обычного мостового выпрямителя; когда переключатель замкнут, каждый из них должен фильтровать выходной сигнал полуволнового выпрямителя, а когда переключатель разомкнут, два конденсатора соединены последовательно с эквивалентной величиной, равной половине одного из них.

Умножитель напряжения Кокрофта-Уолтона

Можно добавить каскадные диодные и конденсаторные каскады для создания умножителя напряжения (схема Кокрофта-Уолтона). Эти схемы способны создавать потенциал выходного напряжения постоянного тока, который примерно в десять раз превышает пиковое входное напряжение переменного тока, что на практике ограничивается токовой нагрузкой и проблемами регулирования напряжения. Диодные умножители напряжения, часто используемые в качестве промежуточного каскада повышения или первичного источника высокого напряжения (ВН), используются в источниках питания высоковольтных лазеров, питающих устройствах, таких как электронно-лучевые трубки (ЭЛТ) (например, те, которые используются в телевидении, радарах и сонарах на основе ЭЛТ. дисплеев), устройства для усиления фотонов, используемые в усилителях изображения и фотоумножителях (ФЭУ), а также радиочастотные (RF) устройства на основе магнетронов, используемые в радиолокационных передатчиках и микроволновых печах.До появления полупроводниковой электроники в бестрансформаторных вакуумных ламповых приемниках, питаемых непосредственно от сети переменного тока, иногда использовались удвоители напряжения для генерации примерно 300 В постоянного тока из линии электропередачи 100–120 В.

Количественная оценка выпрямителей []

В этом разделе отсутствует информация о коэффициентах преобразования, по крайней мере, для трехфазного полуволнового и двухполупериодного выпрямления, поскольку эти выпрямители имеют свои собственные разделы в этой статье. . Пожалуйста, разверните раздел, чтобы включить эту информацию. Более подробная информация может быть на странице обсуждения. (октябрь 2017 г.)

Для количественной оценки функции и производительности выпрямителей или их выходной мощности используются несколько соотношений, включая коэффициент использования трансформатора (TUF), коэффициент преобразования ( η ), коэффициент пульсации, форм-фактор , и пик-фактор. Двумя основными показателями являются напряжение постоянного тока (или смещение) и пульсирующее напряжение пик-пик, которые являются составными компонентами выходного напряжения.

Коэффициент преобразования []

Коэффициент преобразования (также называемый «коэффициентом выпрямления» и, что сбивает с толку, «КПД») η определяется как отношение выходной мощности постоянного тока к входной мощности от источника переменного тока. Даже с идеальными выпрямителями это соотношение составляет менее 100%, потому что часть выходной мощности является мощностью переменного тока, а не постоянного тока, что проявляется в виде пульсации, наложенной на форму сигнала постоянного тока. Это соотношение можно улучшить с помощью схем сглаживания, которые уменьшают пульсации и, следовательно, уменьшают содержание переменного тока на выходе.Коэффициент преобразования уменьшается из-за потерь в обмотках трансформатора и рассеяния мощности в самом выпрямительном элементе. Это соотношение не имеет большого практического значения, поскольку за выпрямителем почти всегда следует фильтр для увеличения постоянного напряжения и уменьшения пульсаций. В некоторых трехфазных и многофазных приложениях коэффициент преобразования достаточно высок, и схемы сглаживания не нужны. [6] В других схемах, таких как цепи нагревателя накала в электронике вакуумных ламп, где нагрузка почти полностью резистивная, схема сглаживания может быть опущена, потому что резисторы рассеивают мощность как переменного, так и постоянного тока, поэтому мощность не теряется.

Для однополупериодного выпрямителя коэффициент очень скромный.

PAC = Vpeak2⋅Ipeak2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}} ( делители равны 2, а не √2, поскольку в отрицательном полупериоде мощность не поступает)
PDC = Vpeakπ⋅Ipeakπ {\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}

Таким образом, максимальный коэффициент преобразования для полуволнового выпрямителя равен,

η = PDCPAC≈40. 5% {\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 40,5 \%}

Аналогично для двухполупериодного выпрямителя

PAC = Vpeak2⋅Ipeak2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ над {\ sqrt {2}}}}
PDC = 2⋅Vpeakπ⋅2⋅Ipeakπ {\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {2 \ cdot V _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi} \ cdot {2 \ cdot I _ {\ mathrm {peak}} \ over \ pi}}
η = PDCPAC≈81.0% {\ displaystyle \ eta = {P _ {\ mathrm {DC}} \ over P _ {\ mathrm {AC}}} \ приблизительно 81,0 \%}

Трехфазные выпрямители, особенно трехфазные двухполупериодные выпрямители , имеют гораздо более высокие коэффициенты преобразования, потому что пульсация по сути меньше.

Для трехфазного однополупериодного выпрямителя,

PAC = 3⋅Vpeak2⋅Ipeak2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over 2} \ cdot {I _ {\ mathrm {peak}} \ over 2}}
PDC = 3⋅3⋅Vpeak2π⋅3⋅3⋅Ipeak2π {\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V_ { \ mathrm {peak}}} {2 \ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}}} {2 \ pi}}}

Для трехфазного двухполупериодного выпрямителя

PAC = 3⋅Vpeak2⋅Ipeak2 {\ displaystyle P _ {\ mathrm {AC}} = 3 \ cdot {V _ {\ mathrm {peak}} \ over {\ sqrt {2}}} \ cdot {I _ {\ mathrm {пик}} \ over {\ sqrt {2}}}}
PDC = 3⋅3⋅Vpeakπ⋅3⋅3⋅Ipeakπ {\ displaystyle P _ {\ mathrm {DC}} = {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot V _ {\ mathrm {peak}}} {\ pi}} \ cdot {\ frac {3 \ cdot {\ sqrt {3}} \ cdot I _ {\ mathrm {peak}} } {\ pi}}}

Коэффициент использования трансформатора []

Коэффициент использования трансформатора (TUF) схемы выпрямителя определяется как отношение мощности постоянного тока, доступной на входном резисторе, к номинальному значению переменного тока выходной катушки трансформатора. [7] [8]

T.U.F = рейтинг PodcVA трансформатора {\ displaystyle T.U.F = {\ frac {P_ {odc}} {\ mathrm {VA \ rating \ of \ transformer}}}}

Номинальное значение VA {\ displaystyle VA} трансформатора можно определить как: VA = VrmsI˙rms (для вторичной обмотки.) {\ Displaystyle VA = V _ {\ mathrm {rms}} {\ dot {I}} _ {\ mathrm {rms}} (\ mathrm {Для \ secondary \ coil.})}

Падение напряжения выпрямителя []

Настоящий выпрямитель обычно снижает часть входного напряжения (падение напряжения для кремниевых устройств обычно составляет 0.7 вольт плюс эквивалентное сопротивление, в общем нелинейное), а на высоких частотах искажает форму сигнала другими способами. В отличие от идеального выпрямителя, он рассеивает некоторую мощность.

Аспектом большей части выпрямления является потеря от пикового входного напряжения до пикового выходного напряжения, вызванная встроенным падением напряжения на диодах (около 0,7 В для обычных кремниевых диодов с p – n переходом и 0,3 В для диодов Шоттки. ). Полупериодное выпрямление и двухполупериодное выпрямление с использованием вторичной обмотки с центральным отводом приводит к падению пикового напряжения в одно падение на диоде.Мостовое выпрямление имеет потерю двух диодных падений. Это снижает выходное напряжение и ограничивает доступное выходное напряжение, если необходимо выпрямить очень низкое переменное напряжение. Поскольку диоды не проводят ниже этого напряжения, схема пропускает ток только в течение части каждого полупериода, вызывая короткие сегменты нулевого напряжения (где мгновенное входное напряжение ниже одного или двух падений диода) появляются между каждым "горбом". ".

Пиковые потери очень важны для выпрямителей низкого напряжения (например, 12 В или меньше), но незначительны в высоковольтных приложениях, таких как системы передачи электроэнергии HVDC.

Гармоническое искажение []

Нелинейные нагрузки, такие как выпрямители, создают гармоники тока частоты источника на стороне переменного тока и гармоники напряжения частоты источника на стороне постоянного тока из-за поведения переключения.

Сглаживание выхода выпрямителя []

Вход переменного тока (желтый) и выход постоянного тока (зеленый) однополупериодного выпрямителя со сглаживающим конденсатором. Обратите внимание на пульсацию сигнала постоянного тока.

Хотя однополупериодное и двухполупериодное выпрямители обеспечивают однонаправленный ток, ни одно из них не дает постоянного напряжения.Существует большая составляющая пульсаций переменного напряжения на частоте источника для полуволнового выпрямителя и вдвое превышающая частоту источника для двухполупериодного выпрямителя. Напряжение пульсации обычно указывается в размахе. Для получения постоянного постоянного тока из выпрямленного источника переменного тока требуется сглаживающая цепь или фильтр. В простейшей форме это может быть просто конденсатор (также называемый фильтром, резервуаром или сглаживающим конденсатором), дроссель, резистор, стабилитрон и резистор или регулятор напряжения, размещенный на выходе выпрямителя.На практике в большинстве сглаживающих фильтров используется несколько компонентов для эффективного снижения пульсации напряжения до уровня, допустимого для схемы.

Двухполупериодный диодно-мостовой выпрямитель с параллельным RC-шунтирующим фильтром

Конденсатор фильтра высвобождает свою накопленную энергию в течение части цикла переменного тока, когда источник переменного тока не подает никакой энергии, то есть когда источник переменного тока меняет направление протекания тока.

Характеристики с источником с низким сопротивлением []

На приведенной выше диаграмме показаны характеристики резервуара от источника с почти нулевым импедансом, такого как сеть.По мере увеличения напряжения выпрямителя он заряжает конденсатор, а также подает ток на нагрузку. В конце четверти цикла конденсатор заряжается до своего пикового значения Vp напряжения выпрямителя. После этого напряжение выпрямителя начинает уменьшаться до минимального значения Vmin, когда оно входит в следующую четверть цикла. Это инициирует разряд конденсатора через нагрузку.

Размер конденсатора C определяется величиной допустимой пульсации r, где r = (Vp-Vmin) / Vp. [9]

Эти цепи очень часто питаются от трансформаторов и имеют значительное сопротивление. Сопротивление трансформатора изменяет форму волны накопительного конденсатора, изменяет пиковое напряжение и создает проблемы регулирования.

Входной фильтр конденсатора []

Для данной нагрузки размер сглаживающего конденсатора является компромиссом между снижением пульсационного напряжения и увеличением пульсационного тока. Пиковый ток определяется скоростью нарастания напряжения питания на переднем фронте входящей синусоидальной волны, уменьшенной сопротивлением обмоток трансформатора.Высокие токи пульсаций увеличивают потери I 2 R (в виде тепла) в обмотках конденсатора, выпрямителя и трансформатора и могут превышать допустимую нагрузку на компоненты или номинальную мощность трансформатора в ВА. Выпрямители с вакуумной трубкой определяют максимальную емкость входного конденсатора, а выпрямители с SS-диодами также имеют ограничения по току. Конденсаторы для этого приложения нуждаются в низком ESR, иначе ток пульсации может их перегреть. Чтобы ограничить пульсации напряжения заданным значением, требуемый размер конденсатора пропорционален току нагрузки и обратно пропорционален частоте питания и количеству выходных пиков выпрямителя на входной цикл.Для двухполупериодного выпрямленного выхода требуется конденсатор меньшего размера, поскольку он вдвое превышает частоту полуволнового выпрямленного выхода. Чтобы уменьшить пульсации до удовлетворительного предела с помощью всего лишь одного конденсатора, часто требуется конденсатор непрактичного размера. Это связано с тем, что номинальный ток пульсации конденсатора не увеличивается линейно с размером, и также могут быть ограничения по высоте. Для приложений с большим током вместо них используются батареи конденсаторов.

Входной фильтр дросселя []

Также можно поместить выпрямленную форму волны во входной дроссельный фильтр.Преимущество этой схемы состоит в том, что форма волны тока более плавная: ток потребляется в течение всего цикла, а не импульсами на пиках переменного напряжения каждый полупериод, как в конденсаторном входном фильтре. Недостатком является то, что выходное напряжение намного ниже - среднее значение полупериода переменного тока, а не пиковое; это примерно 90% от среднеквадратичного напряжения по сравнению с 2 {\ displaystyle {\ sqrt {2}}}, умноженным на действующее значение напряжения (без нагрузки) для конденсаторного входного фильтра. Это смещение обеспечивает превосходное регулирование напряжения и более высокий доступный ток, что снижает пиковое напряжение и ток пульсации, требуемый для компонентов источника питания.Для индукторов требуются сердечники из железа или других магнитных материалов, что увеличивает их вес и размер. Поэтому их использование в источниках питания для электронного оборудования сократилось в пользу полупроводниковых схем, таких как регуляторы напряжения. [10]

Резистор в качестве входного фильтра []

В случаях, когда пульсации напряжения незначительны, например, в зарядных устройствах аккумуляторов, входной фильтр может быть одним последовательным резистором для регулировки выходного напряжения до требуемого для схемы. Резистор пропорционально снижает как выходное напряжение, так и пульсации напряжения.Недостатком входного фильтра резистора является то, что он потребляет энергию в виде отработанного тепла, которое недоступно для нагрузки, поэтому он используется только в слаботочных цепях.

Фильтры высшего порядка и каскадные фильтры []

Для дальнейшего уменьшения пульсаций за начальным фильтрующим элементом могут быть установлены дополнительные компоненты переменного последовательного и шунтирующего фильтров или регулятор напряжения. Компоненты последовательного фильтра могут быть резисторами или дросселями; шунтирующие элементы могут быть резисторами или конденсаторами.Фильтр может повышать напряжение постоянного тока как а также уменьшить пульсацию. Фильтры часто состоят из пар последовательных / шунтирующих компонентов, называемых RC (последовательный резистор, шунтирующий конденсатор) или LC (последовательный дроссель, шунтирующий конденсатор). Две распространенные геометрии фильтров известны как фильтры Pi (конденсатор, дроссель, конденсатор) и T (дроссель, конденсатор, дроссель). Иногда последовательными элементами являются резисторы - потому что резисторы меньше и дешевле - когда более низкий выход постоянного тока желателен или допустим. Другой разновидностью фильтра особой геометрии является последовательный резонансный дроссель или настроенный дроссельный фильтр.В отличие от других конфигураций фильтров, которые представляют собой фильтры нижних частот, резонансный дроссельный фильтр является полосовым фильтром: это параллельная комбинация дросселя и конденсатора, который резонирует с частотой пульсации напряжения, обеспечивая очень высокий импеданс пульсации. . За ним может последовать шунтирующий конденсатор для завершения фильтра.

Регуляторы напряжения []

Более обычной альтернативой дополнительным фильтрующим компонентам, если нагрузка постоянного тока требует очень низкого напряжения пульсаций, является установка регулятора напряжения после входного фильтра.Стабилизатор напряжения работает по другому принципу, чем фильтр, который, по сути, представляет собой делитель напряжения, который шунтирует напряжение с частотой пульсаций от нагрузки. Скорее, регулятор увеличивает или уменьшает ток, подаваемый на нагрузку, чтобы поддерживать постоянное выходное напряжение.

Простой пассивный шунтирующий регулятор напряжения может состоять из последовательного резистора для понижения напряжения источника до требуемого уровня и шунта на стабилитроне с обратным напряжение, равное установленному напряжению. При повышении входного напряжения диод сбрасывает ток, чтобы поддерживать заданное выходное напряжение.Этот тип стабилизатора обычно используется только в цепях низкого напряжения и тока, поскольку стабилитроны имеют ограничения как по напряжению, так и по току. Еще он очень неэффективен, поскольку сбрасывает лишний ток, недоступный нагрузке.

Более эффективной альтернативой шунтирующему стабилизатору напряжения является схема активного регулятора напряжения. Активный регулятор использует реактивные компоненты для хранения и разряда энергии, так что большая часть или весь ток, подаваемый выпрямителем, передается на нагрузку.Он также может использовать отрицательную и положительную обратную связь в сочетании, по крайней мере, с одним элементом усиления напряжения, таким как транзистор, для поддержания выходного напряжения при падении напряжения источника. Входной фильтр должен предотвращать падение пульсации ниже минимального напряжения, требуемого регулятором для получения требуемого выходного напряжения. Регулятор служит как для значительного уменьшения пульсаций, так и для устранения колебаний характеристик питания и нагрузки.

Приложения []

Основное применение выпрямителей - получение постоянного тока от источника переменного тока (преобразователь переменного тока в постоянный).Выпрямители используются в блоках питания практически всего электронного оборудования. Источники питания переменного / постоянного тока можно в общих чертах разделить на линейные источники питания и импульсные источники питания. В таких источниках питания выпрямитель будет включен последовательно за трансформатором, за ним будет следовать сглаживающий фильтр и, возможно, регулятор напряжения.

Преобразование постоянного тока из одного напряжения в другое намного сложнее. Один из методов преобразования постоянного тока в постоянный сначала преобразует мощность в переменный ток (с помощью устройства, называемого инвертором), затем использует трансформатор для изменения напряжения и, наконец, выпрямляет мощность обратно в постоянный ток.Обычно используется частота в несколько десятков килогерц, поскольку для этого требуется гораздо меньшая индуктивность, чем на более низких частотах, и исключается использование тяжелых, громоздких и дорогих устройств с железным сердечником. В другом методе преобразования постоянного напряжения используется накачка заряда с использованием быстрого переключения для изменения соединений конденсаторов; этот метод обычно ограничен мощностью до пары ватт из-за размера требуемых конденсаторов.

Выходное напряжение двухполупериодного выпрямителя с управляемыми тиристорами

Выпрямители также используются для обнаружения радиосигналов с амплитудной модуляцией.Перед обнаружением сигнал может быть усилен. В противном случае следует использовать диод с очень низким падением напряжения или диод с фиксированным напряжением. При использовании выпрямителя для демодуляции необходимо тщательно согласовать сопротивление конденсатора и нагрузки: слишком низкая емкость заставляет высокочастотную несущую проходить к выходу, а слишком высокая заставляет конденсатор просто заряжаться и оставаться заряженным.

Выпрямители подают поляризованное напряжение для сварки. В таких схемах требуется контроль выходного тока; Иногда это достигается заменой некоторых диодов в мостовом выпрямителе тиристорами, то есть диодами, выходное напряжение которых можно регулировать путем включения и выключения с помощью контроллеров с фазным зажиганием.

Тиристоры используются в различных классах систем железнодорожного подвижного состава для обеспечения точного управления тяговыми двигателями. Тиристоры отключения затвора используются для выработки переменного тока от источника постоянного тока, например, в поездах Eurostar для питания трехфазных тяговых двигателей. [11]

Ректификационные технологии []

Электромеханический []

Примерно до 1905 года, когда были разработаны ламповые выпрямители, устройства преобразования энергии имели чисто электромеханическую конструкцию.В механических выпрямителях использовалась некоторая форма вращения или резонансной вибрации, приводимой в действие электромагнитами, которые приводили в действие переключатель или коммутатор для изменения направления тока.

Эти механические выпрямители были шумными и требовали больших затрат на обслуживание. Подвижные части имели трение, что требовало смазки и замены из-за износа. Размыкание механических контактов под нагрузкой приводило к возникновению электрических дуг и искр, которые нагревали и разъедали контакты. Они также не могли работать с частотами переменного тока выше нескольких тысяч циклов в секунду.

Синхронный выпрямитель []

Для преобразования переменного тока в постоянный в электровозах может использоваться синхронный выпрямитель. [ необходима ссылка ] Он состоит из синхронного двигателя, приводящего в действие набор мощных электрических контактов. Двигатель вращается в соответствии с частотой переменного тока и периодически меняет местами подключения к нагрузке в тот момент, когда синусоидальный ток проходит через нулевой уровень. Контакты не должны переключать большой ток, но они должны быть способны передавать большой ток для питания тяговых двигателей постоянного тока локомотива.

Вибрационный выпрямитель []
Зарядное устройство с вибратором 1922 года. Оно производило 6 А постоянного тока при 6 В для зарядки автомобильных аккумуляторов.

Они состояли из резонансного язычка, вибрирующего под действием переменного магнитного поля, создаваемого электромагнитом переменного тока, с контактами, которые меняли направление тока на отрицательных полупериодах. Они использовались в устройствах малой мощности, таких как зарядные устройства для аккумуляторов, для выпрямления низкого напряжения, создаваемого понижающим трансформатором. Другое применение было в источниках питания от батарей для портативных радиоприемников на электронных лампах, чтобы обеспечить высокое постоянное напряжение для ламп.Они работали как механическая версия современных твердотельных переключающих инверторов с трансформатором для повышения напряжения батареи и набором контактов вибратора на сердечнике трансформатора, управляемым его магнитным полем, для многократного прерывания тока батареи постоянного тока для создания импульсный переменный ток для питания трансформатора. Затем второй набор контактов выпрямителя на вибраторе выпрямляет высокое переменное напряжение от вторичной обмотки трансформатора до постоянного.

Мотор-генераторная установка []
Небольшой мотор-генератор

Электродвигатель-генератор или аналогичный вращающийся преобразователь не является строго выпрямителем, поскольку на самом деле не выпрямляет ток , а скорее генерирует постоянного тока из источника переменного тока.В «наборе M-G» вал двигателя переменного тока механически соединен с валом генератора постоянного тока. Генератор постоянного тока вырабатывает многофазные переменные токи в своих обмотках якоря, которые коммутатор на валу якоря преобразует в выход постоянного тока; или униполярный генератор производит постоянный ток без необходимости в коммутаторе. Наборы M-G полезны для производства постоянного тока для тяговых двигателей железных дорог, промышленных двигателей и других сильноточных приложений и были распространены во многих мощных D.C. использует (например, угольно-дуговые ламповые проекторы для уличных театров) до того, как мощные полупроводники стали широко доступны.

Электролитический []

Электролитический выпрямитель [12] был устройством начала двадцатого века, которое больше не используется. Самодельная версия проиллюстрирована в книге 1913 года The Boy Mechanic [13] , но она будет пригодна для использования только при очень низких напряжениях из-за низкого напряжения пробоя и риска поражения электрическим током.Более сложное устройство такого типа было запатентовано Дж. У. Карпентером в 1928 г. (патент США 1671970). [14]

Когда два разных металла находятся в суспензии в растворе электролита, постоянный ток, протекающий в одном направлении через раствор, испытывает меньшее сопротивление, чем в другом направлении. В электролитических выпрямителях чаще всего используются алюминиевый анод и свинцовый или стальной катод, суспендированные в растворе ортофосфата аммония.

Выпрямляющее действие происходит из-за тонкого покрытия из гидроксида алюминия на алюминиевом электроде, образованного сначала путем подачи сильного тока к ячейке для создания покрытия.Процесс ректификации чувствителен к температуре и для достижения максимальной эффективности не должен работать при температуре выше 86 ° F (30 ° C). Также существует пробивное напряжение в местах проникновения покрытия и короткого замыкания ячейки. Электрохимические методы часто более хрупкие, чем механические, и могут быть чувствительны к вариациям в использовании, которые могут резко изменить или полностью нарушить процессы ректификации.

Подобные электролитические устройства использовались в качестве молниеотводов примерно в ту же эпоху, когда многие алюминиевые конусы подвешивались в резервуаре с раствором ортофосфата триаммония.В отличие от выпрямителя, описанного выше, использовались только алюминиевые электроды, которые использовались на переменном токе, не было поляризации и, следовательно, выпрямителя, но химический состав был аналогичным. [15]

Современный электролитический конденсатор, важный компонент большинства схем выпрямителя, также был разработан на основе электролитического выпрямителя.

Тип плазмы []

Развитие ламповой технологии в начале 20 века привело к изобретению различных ламповых выпрямителей, которые в значительной степени заменили шумные, неэффективные механические выпрямители.

Меркурий-дуга []

Ранний трехфазный промышленный выпрямитель паров ртути

Выпрямитель, используемый в системах электропередачи постоянного тока высокого напряжения (HVDC) и промышленной обработке в период с 1909 по 1975 год, представляет собой ртутно-дуговый выпрямитель или ртутно-дуговый клапан . Устройство заключено в стеклянный сосуд с луковицей или большую металлическую ванну. Один электрод, катод, погружен в резервуар с жидкой ртутью на дне резервуара, а один или несколько графитовых электродов высокой чистоты, называемых анодами, подвешены над резервуаром.Для зажигания и поддержания дуги может быть несколько вспомогательных электродов. Когда между катодной ванной и подвешенными анодами возникает электрическая дуга, поток электронов течет от катода к анодам через ионизированную ртуть, но не наоборот (в принципе, это более мощный аналог выпрямления пламенем, который использует те же свойства односторонней передачи тока, что и плазма, естественно присутствующая в пламени).

Эти устройства могут использоваться на уровнях мощности в сотни киловатт и могут быть сконструированы для обработки от одной до шести фаз переменного тока.Ртутно-дуговые выпрямители были заменены кремниевыми полупроводниковыми выпрямителями и мощными тиристорными схемами в середине 1970-х годов. Самые мощные из когда-либо построенных ртутно-дуговых выпрямителей были установлены в проекте HVDC Manitoba Hydro Nelson River Bipole Bipole с суммарной мощностью более 1 ГВт и 450 кВ. [16] [17]

Электронная трубка на газе аргоне []
Тунгарские лампочки 1917 г., 2 ампера (слева) и 6 ампер

Выпрямитель General Electric Tungar представлял собой пары ртути (напр.: 5B24) или аргоновое (например: 328) устройство с газовой электронной лампой с катодом из вольфрамовой нити и угольным анодом. Он работал аналогично термоэмиссионному диоду на вакуумной трубке, но газ в трубке ионизировался во время прямой проводимости, что давало ему гораздо меньшее падение прямого напряжения, поэтому он мог выпрямлять более низкие напряжения. Он использовался для зарядных устройств аккумуляторов и аналогичных приложений с 1920-х годов до тех пор, пока его не вытеснили более дешевые металлические выпрямители, а затем и полупроводниковые диоды. Они были рассчитаны на несколько сотен вольт и несколько ампер и по некоторым размерам сильно напоминали лампу накаливания с дополнительным электродом.

0Z4 представлял собой газонаполненную выпрямительную трубку, которая широко использовалась в автомобильных радиоприемниках с электронными лампами в 1940-х и 1950-х годах. Это была обычная двухполупериодная выпрямительная лампа с двумя анодами и одним катодом, но она была уникальна тем, что не имела нити накала (отсюда «0» в ее типовом номере). Электроды имели такую ​​форму, чтобы напряжение обратного пробоя было намного выше, чем напряжение прямого пробоя. Как только напряжение пробоя было превышено, 0Z4 переключился в состояние с низким сопротивлением с прямым падением напряжения около 24 В.

Диодная вакуумная трубка (вентиль) []

Термоэмиссионный ламповый диод, первоначально называвшийся клапаном Флеминга, был изобретен Джоном Амброузом Флемингом в 1904 году в качестве детектора радиоволн в радиоприемниках и превратился в обычный выпрямитель. Он состоял из вакуумированной стеклянной колбы с нитью накала, нагреваемой отдельным током, и металлической пластины анода. Нить накала испускала электроны за счет термоэлектронной эмиссии (эффект Эдисона), открытого Томасом Эдисоном в 1884 году, и положительное напряжение на пластине вызывало ток электронов через трубку от волокна к пластине.Поскольку только нить накала генерирует электроны, трубка будет проводить ток только в одном направлении, позволяя трубке выпрямлять переменный ток.

Термоэлектронные диодные выпрямители широко использовались в источниках питания в электронных устройствах с электронными лампами, таких как фонографы, радиоприемники и телевизоры, например радиоприемник All American Five, для обеспечения высокого напряжения постоянного тока на пластине, необходимого для других электронных ламп. Двухполупериодные версии с двумя отдельными пластинами были популярны, потому что их можно было использовать с трансформатором с центральным отводом для создания двухполупериодного выпрямителя.Выпрямители с вакуумной трубкой были изготовлены для очень высоких напряжений, такие как источник высокого напряжения для электронно-лучевой трубки телевизионных приемников и кенотрон, используемый для питания в рентгеновском оборудовании. Однако, по сравнению с современными полупроводниковыми диодами, ламповые выпрямители имеют высокое внутреннее сопротивление из-за объемного заряда и, как следствие, высокие падения напряжения, вызывающие высокое рассеивание мощности и низкий КПД. Они редко могут выдерживать токи, превышающие 250 мА из-за ограничений рассеиваемой мощности на пластинах, и не могут использоваться для низковольтных устройств, таких как зарядные устройства.Еще одним ограничением лампового выпрямителя является то, что источник питания нагревателя часто требует специальных приспособлений для изоляции его от высоких напряжений в цепи выпрямителя.

Твердотельный []

Кристаллический детектор []
Детектор усов кошки Galena

Кристаллический детектор был первым типом полупроводникового диода. Изобретенный Джагадиш Чандра Бозе и разработанный Дж. У. Пикардом, начиная с 1902 года, он был значительным улучшением по сравнению с более ранними детекторами, такими как когерер.Кристаллический детектор широко использовался до появления электронных ламп. Один популярный тип кристаллического детектора, часто называемый детектором кошачьих усов , состоит из кристалла какого-то полупроводникового минерала, обычно галенита (сульфида свинца), с легкой пружинящей проволокой, касающейся его поверхности. Его хрупкость и ограниченная токовая нагрузка сделали его непригодным для источников питания. В 1930-х годах исследователи уменьшили размер и улучшили кристаллический детектор для использования на микроволновых частотах.

Выпрямители из оксида селена и меди []

Когда-то распространенные, пока не были заменены более компактными и менее дорогостоящими кремниевыми твердотельными выпрямителями в 1970-х годах, в этих устройствах использовались пакеты металлических пластин с оксидным покрытием и использовались полупроводниковые свойства оксида селена или меди. [18] Хотя селеновые выпрямители были легче по весу и потребляли меньшую мощность, чем сопоставимые ламповые выпрямители, они обладали недостатком в виде конечного срока службы, увеличения сопротивления с возрастом и подходили для использования только на низких частотах.Выпрямители из оксида селена и меди несколько лучше выдерживают кратковременные скачки напряжения, чем кремниевые выпрямители.

Обычно эти выпрямители состояли из пакетов металлических пластин или шайб, удерживаемых вместе центральным болтом, причем количество пакетов определялось напряжением; каждая ячейка была рассчитана примерно на 20 В. Выпрямитель автомобильного зарядного устройства мог иметь только одну ячейку: высоковольтный источник питания для вакуумной лампы мог иметь десятки уложенных друг на друга пластин. Плотность тока в селеновой батарее с воздушным охлаждением составляла около 600 мА на квадратный дюйм активной площади (около 90 мА на квадратный сантиметр).

Кремниевые и германиевые диоды []
Разнообразие кремниевых диодов разного номинального тока. Слева мостовой выпрямитель. На трех центральных диодах окрашенная полоса обозначает катодный вывод.

Кремниевые диоды - наиболее широко используемые выпрямители для более низких напряжений и мощностей, они в значительной степени заменили другие выпрямители. Благодаря существенно более низкому прямому напряжению (0,3 В против 0,7 В для кремниевых диодов) германиевые диоды имеют неотъемлемое преимущество перед кремниевыми диодами в цепях низкого напряжения.

Высокая мощность: тиристоры (SCR) и новые кремниевые преобразователи напряжения []
Два из трех мощных тиристорных клапанов используются для передачи электроэнергии на большие расстояния от плотин Манитобы. Сравните с ртутно-дуговой системой на том же участке плотины выше.

В приложениях большой мощности с 1975 по 2000 годы большинство дуговых выпрямителей с ртутным вентилем были заменены пакетами из тиристоров очень большой мощности, кремниевыми устройствами с двумя дополнительными слоями полупроводника по сравнению с простым диодом.

В системах передачи средней мощности даже более сложные и сложные системы кремниевых полупроводниковых выпрямителей с преобразователем напряжения (VSC), такие как биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT) и тиристоры отключения затвора (GTO), уменьшили постоянное напряжение высокого напряжения. системы передачи электроэнергии экономичные. Все эти устройства работают как выпрямители.

По состоянию на 2009 год [обновление] ожидалось, что эти мощные кремниевые «самокоммутирующиеся переключатели», в частности IGBT и вариант тиристора (связанный с GTO), называются интегрированным тиристором с коммутацией затвора (IGCT), будут увеличены в номинальной мощности до такой степени, что в конечном итоге они заменят простые системы выпрямления переменного тока на основе тиристоров для приложений постоянного тока с наибольшей мощностью передачи. [19]

Активный выпрямитель []
Падение напряжения на диоде и МОП-транзисторе. Низкое сопротивление в открытом состоянии MOSFET снижает омические потери по сравнению с диодным выпрямителем (в данном случае ниже 32 А), который демонстрирует значительное падение напряжения даже при очень низких уровнях тока. Параллельное соединение двух полевых МОП-транзисторов (розовая кривая) дополнительно снижает потери, в то время как параллельное соединение нескольких диодов не приведет к значительному снижению прямого падения напряжения.

Активное выпрямление - это метод повышения эффективности выпрямления путем замены диодов активно управляемыми переключателями, такими как транзисторы, обычно силовые MOSFET или силовые BJT. [20] В то время как обычные полупроводниковые диоды имеют примерно фиксированное падение напряжения около 0,5–1 вольт, активные выпрямители ведут себя как сопротивления и могут иметь произвольно низкое падение напряжения.

Раньше переключатели с приводом от вибратора или коммутаторы с приводом от двигателя также использовались для механических выпрямителей и синхронного выпрямления. [21]

Активное выпрямление имеет множество применений. Он часто используется для массивов фотоэлектрических панелей, чтобы избежать обратного тока, который может вызвать перегрев с частичным затемнением при минимальных потерях мощности.

Текущие исследования []

Основной областью исследований является разработка высокочастотных выпрямителей, которые могут преобразовывать в терагерцовые и световые частоты. Эти устройства используются для обнаружения оптических гетеродинов, которые находят множество применений в оптоволоконной связи и атомных часах. Другое перспективное применение таких устройств - прямое выпрямление световых волн, улавливаемых крошечными антеннами, называемыми нанотеннами, для производства электроэнергии постоянного тока. [22] Считается, что массивы антенн могут быть более эффективным средством производства солнечной энергии, чем солнечные элементы.

Связанная с этим область исследований - разработка выпрямителей меньшего размера, поскольку меньшее устройство имеет более высокую частоту среза.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *