Выпрямитель тока: переменный ток в постоянный, схема выпрямителя тока

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

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

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

Устройство и структура выпрямителя

Рис. 1

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

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

Рис. 2

Силовой трансформатор

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

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

Диодный мост

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

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

Устройство фильтрования

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

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

Стабилизатор напряжения

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

Классификация

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

По мощности на выходе:

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

По фазности сети питания:

• 1-фазные.
• 3-фазные.

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

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

По типу управления вентилями выпрямители делятся на:

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

Выпрямители разделяют для следующих видов нагрузки:

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

Расчет выпрямителя

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

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

К таким факторам можно отнести:

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

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

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

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

Схемы выпрямления

Однофазные выпрямители

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

Однофазная однотактная схема

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

На диаграмме видна работа однотактного выпрямителя на активную нагрузку.

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

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

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

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

Похожие темы:

принцип работы, типы и схемы

Выпрямитель преобразует колеблющийся синусоидальный источник переменного напряжения в источник постоянного напряжения постоянного тока с помощью диодов, тиристоров, транзисторов или преобразователей. Этот процесс выпрямления может принимать различные формы с полуволновыми, двухполупериодными, неконтролируемыми и полностью управляемыми выпрямителями, преобразующими однофазный или трехфазный источник питания в постоянный уровень постоянного тока. В этом уроке мы рассмотрим однофазное выпрямление и все его формы.

Описание

Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменным токам течь через них в прямом направлении, в то же время блокируя протекание тока в обратном направлении, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.

Однако постоянный ток, который выпрямляется диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет изменения напряжения в виде пульсаций, наложенных на него в результате переменного питания.

Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень вращения осциллограммы вдоль оси x, на которую генератор вращался от 0 до 360 ^o . Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, взятый для завершения одного полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Соотношение между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

Второе число указывает амплитуду значения, тока или напряжения, вдоль оси y. Это число дает мгновенное значение от нуля до некоторого пикового или максимального значения (A _MAX , V _MAX или I _MAX  ), указывающее наибольшую амплитуду синусоидальных волн, прежде чем снова вернуться к нулю. Для синусоидальной формы волны есть два максимальных или пиковых значения, одно для положительных и одно для отрицательных полупериодов.

Но помимо этих двух ценностей есть еще две, которые представляют интерес для нас в целях исправления. Один — это Среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы сигнала получается путем добавления мгновенных значений напряжения (или тока) в течение одного полупериода и обнаруживаются как: 0,6365 * V _P . Обратите внимание, что среднее значение за один полный цикл симметричной синусоидальной волны равно нулю.

Среднеквадратическое значение или эффективное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоидальной волны) обеспечивает такое же количество энергии для сопротивления, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратическое значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V _P.

Принцип работы

Все однофазные выпрямители используют полупроводниковые устройства в качестве основного устройства преобразования переменного тока в постоянный. Однофазные неконтролируемые полуволновые выпрямители являются наиболее простой и, возможно, наиболее широко используемой схемой выпрямления для малых уровней мощности, поскольку на их выход сильно влияет реактивное сопротивление подключенной нагрузки.

Для неконтролируемых выпрямительных цепей полупроводниковые диоды являются наиболее часто используемым устройством и расположены таким образом, чтобы создавать либо полуволновую, либо двухполупериодную схему выпрямителя. Преимущество использования диодов в качестве устройства выпрямления состоит в том, что по своей конструкции они являются однонаправленными устройствами, имеющими встроенный однонаправленный pn-переход.

Этот pn-переход преобразует двунаправленный переменный источник питания в однонаправленный ток, устраняя половину источника питания. В зависимости от подключения диода, он может, например, пропустить положительную половину сигнала переменного тока при прямом смещении, исключая при этом отрицательный полупериод, когда диод становится обратным смещением.

Обратное также верно, устраняя положительную половину или форму волны и передавая отрицательную половину. В любом случае, выход из одного диодного выпрямителя состоит только из одной половины формы сигнала 360 ^o, как показано на рисунке.

Полуволновое выпрямление

Приведенная выше конфигурация однофазного полуволнового выпрямителя пропускает положительную половину формы сигнала переменного тока, причем отрицательная половина исключается. Меняя направление диода, мы можем пропустить отрицательные половины и устранить положительные половины формы сигнала переменного тока. Поэтому на выходе будет серия положительных или отрицательных импульсов.

Таким образом, на подключенную нагрузку не подается напряжение или ток, R _L в течение половины каждого цикла. Другими словами, напряжение на сопротивлении нагрузки R _L состоит только из половины сигналов, либо положительных, либо отрицательных, поскольку оно работает только в течение половины входного цикла, отсюда и название полуволнового выпрямителя.

Надеемся, что мы видим, что диод позволяет току течь в одном направлении, создавая только выход, который состоит из полупериодов. Эта пульсирующая форма выходного сигнала не только изменяется ВКЛ и ВЫКЛ каждый цикл, но присутствует только в 50% случаев, и при чисто резистивной нагрузке это содержание пульсации высокого напряжения и тока является максимальным.

Этот пульсирующий постоянный ток означает, что эквивалентное значение постоянного тока падает на нагрузочном резисторе, поэтому R _L составляет только половину среднего значения синусоидальных сигналов. Поскольку максимальное значение синусоидальной формы сигнала равно 1 (sin (90 ^o )), среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды.

Таким образом, во время положительного полупериода A _AVE составляет 0,637 * A _MAX . Однако, поскольку отрицательные полупериоды удалены из-за выпрямления диодом, среднее значение в течение этого периода будет нулевым, как показано.

Среднее значение синусоиды

Таким образом, для полуволнового выпрямителя в 50% случаев среднее значение составляет 0,637 * A _MAX, а в 50% случаев — ноль. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R _L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для полуволнового выпрямителя задаются как:

V _AVE  = 0,318 * V _MAX

I _AVE  = 0,318 * I _MAX

Обратите внимание, что максимальное значение A _MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного полуволнового выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для полуволнового выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9 (форм-фактор) и делим произведение на 2, то есть умножаем его на 0,45, получая:

V _AVE  = 0,45 * V _RMS

I _AVE  = 0,45 * I _RMS

Затем мы можем видеть, что схема полуволнового выпрямителя преобразует либо положительные, либо отрицательные половины формы сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,318 * A _MAX или 0,45 * A _RMS, как показано.

Полноволновое выпрямление

В отличие от предыдущего полуволнового выпрямителя, двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выхода. Это происходит потому, что двухполупериодный выпрямитель в основном состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Эта мостовая конфигурация диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любое время два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Таким образом, в проводящем тракте два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V _IN и V _OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и прежде, для простоты математики мы примем идеальные диоды.

Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V _IN диоды D ₁ и D ₄ смещены в прямом направлении, а диоды D ₂ и D ₃ — в обратном. Затем для положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D ₁ — A — R _L — B — D ₄ и возвращается к источнику питания.

Во время отрицательного полупериода V _IN диоды D ₃ и D ₂ смещены в прямом направлении, а диоды D ₄ и D ₁ — в обратном. Затем для отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D ₃ — A — R _L — B — D ₂ и возвращается к источнику питания.

В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в том же направлении через нагрузку, R _L между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом при нагрузке.

Таким образом, в зависимости от того множества проводящих диодов, узел А всегда более положительный, чем узел B. Поэтому ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.

Форма волны на выходе выпрямителя

Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением. Мы помним сверху, что среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды. Однако, в отличие от описанного выше полуволнового выпрямления, двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

Здесь мы можем видеть, что для двухполупериодного выпрямителя для каждого положительного пика имеется среднее значение 0,637 * A _MAX, и, поскольку на входной сигнал имеется два пика, это означает, что есть две серии средних значений, суммируемых вместе. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у предыдущего полуволнового выпрямителя. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R _L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для двухполупериодного выпрямителя задаются как:

V _AVE  = 0,637 * V _MAX

I _AVE  = 0,637 * I _MAX

Как и прежде, максимальное значение A _MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного двухполупериодного выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:

V _AVE  = 0,9 * V _RMS

I _AVE  = 0,9 * I _RMS

Затем мы можем видеть, что двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A _MAX или 0,9 * A _RMS.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.

Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.

Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.

В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.

Мы также узнали, что после включения тиристор снова выключается только после того, как его сигнал затвора удален, а ток анода упал ниже удерживающего тока тиристоров I _H, поскольку переменное напряжение питания переменного тока смещает его. Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR ₁ и D ₂ и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V _INпроводимость проходит через SCR ₂ и D ₁ и возвращается к источнику питания.

Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR ₁ или SCR ₂ ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D ₂ или D ₁ ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.

Таким образом, среднее выходное напряжение V _AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:

Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V _MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.

В конфигурации с полностью управляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров на полупериод. Тиристоры SCR ₁ и SCR ₄ запускаются вместе как пара во время положительного полупериода, в то время как тиристоры SCR ₃ и SCR ₄ также запускаются вместе как пара во время отрицательного полупериода. Это 180 ^oпосле SCR ₁ и SCR ₄ .

Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).

Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:

со средним выходным напряжением, изменяющимся от V _MAX / π до -V _MAX / π путем изменения угла зажигания, α от π до 0 соответственно. Поэтому, когда α <90 ^o,среднее напряжение постоянного тока является положительным, а когда α> 90 ^oсреднее напряжение постоянного тока является отрицательным. То есть мощность течет от нагрузки постоянного тока к источнику переменного тока.

Резюме однофазного выпрямления

Мы увидели в этом уроке об однофазном выпрямлении, что однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.

Преимуществами полуволнового выпрямителя являются его простота и низкая стоимость, так как для него требуется только один диод. Однако это не очень эффективно, так как используется только половина входного сигнала, дающего низкое среднее выходное напряжение.

Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем полуволновой выпрямитель, поскольку он использует оба полупериода входной синусоидальной волны, создавая более высокое среднее или эквивалентное выходное напряжение постоянного тока. Недостатком двухполупериодной мостовой схемы является то, что она требует четырех диодов.

Фазоуправляемое выпрямление использует комбинации диодов и тиристоров (SCR) для преобразования входного напряжения переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Полностью контролируемые выпрямители используют четыре тиристора в своей конфигурации, тогда как наполовину управляемые выпрямители используют комбинацию как тиристоров, так и диодов.

Тогда независимо от того, как мы это делаем, преобразование синусоидального сигнала переменного тока в постоянный источник постоянного тока называется выпрямлением.

Ликбез КО. Лекция №1 Схемы выпрямления электрического тока.
Схемы выпрямления электрического тока.
Выпрямитель электрического тока – электронная схема, предназначенная для преобразования переменного электрического тока в постоянный (однополярный) электрический ток.

В полупроводниковой аппаратуре выпрямители исполняются на полупроводниковых диодах. В более старой и высоковольтной аппаратуре выпрямители исполняются на электровакуумных приборах – кенотронах. Раньше широко использовались – селеновые выпрямители.

Для начала вспомним, что собой представляет переменный электрический ток. Это гармонический сигнал, меняющий свою амплитуду и полярность по синусоидальному закону.

В переменном электрическом токе можно условно выделить положительные и отрицательные полупериоды. Всё то, что больше нулевого значения относится к положительным полупериодам (положительная полуволна – красным цветом), а всё, что меньше (ниже) нулевого значения – к отрицательным полупериодам (отрицательная полуволна – синим цветом).

Выпрямитель, в зависимости от его конструкции «отсекает», или «переворачивает» одну из полуволн переменного тока, делая направление тока односторонним.

Схемы построения выпрямителей сетевого напряжения можно поделить на однофазные и трёхфазные, однополупериодные и двухполупериодные.

Для удобства мы будем считать, что выпрямляемый переменный электрический ток поступает с вторичной обмотки трансформатора. Это соответствует истине и потому, что даже электрический ток в домашние розетки квартир домов приходит с трансформатора понижающей подстанции. Кроме того, поскольку сила тока – величина, напрямую зависящая от нагрузки, то при рассмотрении схем выпрямления мы будем оперировать не понятием силы тока, а понятием – напряжение, амплитуда которого напрямую не зависит от нагрузки.

На рисунке изображена схема и временная диаграмма выпрямления переменного тока однофазным однополупериодным выпрямителем.

Из рисунка видно, что диод отсекает отрицательную полуволну. Если мы перевернём диод, поменяв его выводы – анод и катод местами, то на выходе окажется, что отсечена не отрицательная, а положительная полуволна.

Среднее значение напряжения на выходе однополупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = Umax / π = 0,318 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Однополупериодные выпрямители используются в качестве выпрямителей сетевого напряжения в схемах, потребляющих слабый ток, а также в качестве выпрямителей импульсных источников питания. Они абсолютно не годятся в качестве выпрямителей сетевого напряжения синусоидальной формы для устройств, потребляющих большой ток.

Наиболее распространёнными являются однофазные двухполупериодные выпрямители. Существуют две схемы таких выпрямителей – мостовая схема и балансная.

Рассмотрим мостовую схему однофазного двухполупериодного выпрямителя и его работу.

Если ток вторичной обмотки трансформатора течёт по направлению от точки «А» к точке «В», то далее от точки «В» ток течёт через диод VD3 (диод VD1 его не пропускает), нагрузку Rн, диод VD2 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «А». Когда направление тока вторичной обмотки трансформатора меняется на противоположное, то вышедший из точки «А», ток течёт через диод VD4, нагрузку Rн, диод VD1 и возвращается в обмотку трансформатора через точку «В».

Таким образом, практически отсутствует промежуток времени, когда напряжение на выходе выпрямителя равно нулю.

Рассмотрим балансную схему однофазного двухполупериодного выпрямителя.

По своей сути это два однополупериодных выпрямителя, подключенных параллельно в противофазе, при этом начало второй обмотки соединено с концом первой вторичной обмотки. Если в мостовой схеме во время действия обоих полупериодов сетевого напряжения используется одна вторичная обмотка трансформатора, то в балансной схеме две вторичных обмотки (2 и 3) используются поочерёдно.

Среднее значение напряжения на выходе двухполупериодного выпрямителя соответствует значению:
Uср = 2*Umax / π = 0,636 Umax

где: π — константа равная 3,14.
Представляет интерес сочетание мостовой и балансной схемы выпрямления, в результате которого, получается двухполярный мостовой выпрямитель, у которого один провод является общим для двух выходных напряжений (для первого выходного напряжения, он отрицательный, а для второго — положительный):

 
Трёхфазные выпрямители

Трёхфазные выпрямители обладают лучшей характеристикой выпрямления переменного тока – меньшим коэффициентом пульсаций выходного напряжения по сравнению с однофазными выпрямителями. Связано это с тем, что в трёхфазном электрическом токе синусоиды разных фаз «перекрывают» друг друга. После выпрямления такого напряжения, сложения амплитуд различных фаз не происходит, а выделяется максимальная амплитуда из значений всех трёх фаз входного напряжения.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного однополупериодного выпрямителя и его выходное напряжение (красным цветом), образованное на «вершинах» трёхфазного напряжения.

За счёт «перекрытия» фаз напряжения, выходное напряжение трёхфазного однополупериодного выпрямителя имеет меньшую глубину пульсации. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы только по схеме подключения «звезда», с «нулевым» выводом от трансформатора.

На следующем рисунке представлена схема трёхфазного двухполупериодного мостового выпрямителя (схема Ларионова) и его выходное напряжение (красным цветом).

За счёт использования положительной и перевернутой отрицательной полуволны трёхфазного напряжения, выходное напряжение (выделено красным цветом), образованное на вершинах синусоид, имеет самую маленькую глубину пульсаций выходного напряжения по сравнению со всеми остальными схемами выпрямления. Вторичные обмотки трансформатора могут быть использованы как по схеме подключения «звезда», без «нулевого» вывода от трансформатора, так и «треугольник».
При конструировании блоков питания для выбора выпрямительных диодов используют следующие параметры, которые всегда указаны в справочниках:

— максимальное обратное напряжение

Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Выпрямитель напряжения – это устройство для преобразования переменного электричества в постоянный ток. В его основе находится полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость. Такими приборами служат диод или тиристор. Если существует небольшая мощность, несколько сотен Ватт, используется однофазный выпрямитель. Они применяются в самых различных электрических устройствах.

Существуют преобразователи, рассчитанные на тысячи и более Ватт. Здесь используются другие элементы электроники, рассчитанные на такие высокие мощности. В данной статье будут рассмотрены все типы выпрямителей тока, зачем они нужны и по каким принципам они функционируют. В качестве дополнения материал содержит несколько видеороликов и одну научно-популярную статью.

Выпрямитель напряжения (стабилизатор)

Структура и особенности

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

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

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

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

Стабилизатор напряжения

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

• улучшая эффективность электрического фильтра;
• улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

• по схеме моста;
• по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Схема устройства стабилизатора напряжения

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока.

Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Силовой трансформатор

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

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

Силовой трансформатор

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Диодный мост

Устройство фильтрования

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

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

Интересно почитать: что такое клистроны.

Отличия выпрямителя и стабилизатора

В связи с ростом энергопотребления домохозяйств подстанции не редко приходится модернизировать. В ином случае качество энергоснабжения заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора или выпрямителя напряжения. Под выпрямителем тока понимается полупроводниковое, механическое, электровакуумное устройство. Большинство таких приборов создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

• незначительные пульсации напряжения, неразрывная форма выходного тока;
• высокий КПД во всем регулировочном диапазоне;
• эффективное воздушное охлаждение;
• герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения внутрь агрессивных сред;
• современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера при различной удаленности;
• возможность задать автоматический режим работы;
• модульная конструкция выпрямителей высокой мощности позволяет работать при неисправности одного силового модуля;
• оптимальные массогабаритные параметры;
• возможность использования в качестве устройства выпрямления одно- и трехфазного тока.

Представленные в продаже выпрямители тока просты в обслуживании и отличаются высокой степенью ремонтопригодности. Для них характерен высокой энергетический фактор, то есть небольшое реактивное энергопотребление (за исключением тиристорных моделей).

Стабилизаторы напряжения – уникальная техника для автоматической регулировки сетевых параметров на прикрепленных зажимах с заранее установленными пределами. Основное отличие стабилизаторов от выпрямителей заключается в принципе их действия. Например, в стабилизирующих устройствах параметрического типа в основу положено использование свойств нелинейных элементов: карборундовых резисторов, насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов.

Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет воздействия колебаний выходного напряжения через цепочку обратной связи на регулирующий элемент. Как правило, это замкнутые системы автоматической регулировки, поэтому их иногда именуют регуляторами напряжения. Через регулирующий орган ток проходит импульсно или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

• многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку его подачи;
• возможность сетевого мониторинга посредством вольтметров встроенного типа;
• наличие дополнительной защиты от замыканий в подключенной сети и перенапряжений с внешней стороны;
• позволяют владельцу быть в курсе происходящего с электросетью.

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

схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде.

В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

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

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени. Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя.

Схема получения повышенного напряжения.

При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения.

Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с фото.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует.

Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время. Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о том, что такое выпрямитель тока, рассказано в статье Выпрямитель тока: Лекция. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.digteh.ru

www.stihl-msk.ru

www.electricalschool.info

www.domelectrik.ru

Предыдущая

ТеорияЧто такое электрический ток, виды и условия его существования

Следующая

ТеорияКак устроен однополупериодный выпрямитель и где применяется

Маломощные однофазные выпрямители

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий (постоянный по направлению движения носителей, но переменный по мгновенной величине) ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше)).

Содержание:

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя показана ниже:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя). Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке выше пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

В этом подразделе рассматриваются  выпрямители малой мощности, которые необходимы для обеспечения постоянным напряжением всяких устройств в областях управления, регулирования, усилителях тока, генераторах малой мощности и так далее. Как правило, они питаются от однофазного переменного напряжения 220 или 380 В частотою 50 Гц.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на так называемой нулевой схеме. Хотя она сейчас встречается относительно редко (о чем речь пойдет далее), знание физических процессов, которые происходят в этой схеме, очень важны для понимания дальнейшего материала.

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр    имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Рассмотрим, как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке. Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Z_н=R_н.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток. Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке R_н.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение U_d будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление R_н, то и ток в нем i_{d ,} будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны. Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2  и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

 Мостовая схема кроме того имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. Как мы увидим далее, у нее есть еще несколько преимуществ.

Интересно, что эта схема появилась исторически раньше нулевой однако распространения не получила, потому что имела во-первых четыре диода вместо двух. Однако главным  было не их количество, а то что при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение. На то время полупроводниковых диодов еще не было, а вакуумные или ртутные имели значительное падение напряжения при прохождении прямого тока, что существенно понижало коэффициент  полезного действия. Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую ( в этом при желании можно усмотреть проявление одного из  диалектических законов – развитие по спирали).

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку U_d и среднее значение тока в нем I_d.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и  . Поскольку U_d считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения U_d   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;  

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U_(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив   получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  I_в = I_d/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

выпрямитель тока — это … Что такое выпрямитель тока?

выпрямитель — [rek’tə fī΄ər] n. 1. человек или вещь, которая исправляет, как исправление или регулировка 2. элект. устройство, особенно диод, преобразующий переменный ток в постоянный ток … English World dictionary

Выпрямитель — Выпрямитель — это электрическое устройство, которое преобразует переменный ток (AC) в постоянный ток (DC), процесс, известный как выпрямление. Выпрямители имеют много применений, в том числе в качестве компонентов источников питания и в качестве детекторов радиосигналов.Выпрямители… Википедия

Выпрямитель — Устройство, используемое для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный (постоянного тока). Некоторые маленькие мотоциклы используют для этой цели один диод (полуволновые выпрямители), подавляющее большинство используют четыре диода, соединенных в мост, который дает полную волну…… Словарь автомобильных терминов

Токовый зажим — Для записи токового зажима в нейронах см. Электрофизиология # Токовый зажим. В электротехнике и электронике токовый зажим или токовый щуп — это электрическое устройство, имеющее две челюсти, которые открываются, чтобы позволить зажимать вокруг электрического…… Wikipedia

Выпрямитель — существительное: прибор, используемый для измерения переменного тока и состоящий из выпрямителя в сочетании с измерителем постоянного тока, показание которого дает значение выпрямленного переменного тока … Полезный словарь английского языка

Выпрямитель — / rek teuh fuy euhr /, n.1. человек или вещь, которая исправляет. 2. Избранный устройство, в котором ток протекает легче в одном направлении, чем в другом, для изменения переменного тока в постоянный ток. 3. аппарат, который в…… Universalium

Выпрямитель — электрическое устройство для преобразования переменного тока в постоянный. Камера в охлаждающем устройстве, где вода отделяется от рабочей жидкости (например, аммиака). *** Устройство для преобразования переменного тока в постоянное…… Энергетические условия

выпрямитель — существительное Дата: 1611 выпрямитель; в частности, устройство для преобразования переменного тока в постоянный… Новый словарь для учителей

выпрямитель — существительное а) что-то, что выпрямляет б) устройство, которое преобразует переменный ток в постоянный ток; часто диод… Викисловарь

Выпрямитель — Электронное устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, часть схемы рентгеновского аппарата.[Медиев. L. rectifico, чтобы исправить, фр. rectus, right + facio, чтобы сделать] * * * rec · ti · fi · er (rekґtĭ fi ″ ər) устройство для…… Медицинский словарь

Выпрямитель — ВЕЛИКОБРИТАНИЯ [ˈrektɪˌfaɪə (r)] / US [ˈrektɪˌfa counr] существительное [счетное] физическое устройство, которое меняет переменный ток (переменный ток) на постоянный ток (постоянный ток)… словарь английского языка

,

Сильноточные выпрямительные сборки | Semtech

номер	Имя
ISOPAC0103	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0104	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0111	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0112	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0119	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0203	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0204	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0211	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0212	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0219	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0403	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0404	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0412	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0419	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0603	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0604	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0611	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0612	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC0619	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC1203	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC1204	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC1211	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC1212	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
ISOPAC1219	Сила тока, высокая плотность, изолированные, кремниевые силовые выпрямители
SCSF0	Высокая сила тока, высокая плотность, быстрое восстановление кремниевого выпрямителя
SCSF05	Высокая сила тока, высокая плотность, быстрое восстановление кремниевого выпрямителя
SCSF1	Высокая сила тока, высокая плотность, быстрое восстановление кремниевого выпрямителя
SCSF2	Высокая сила тока, высокая плотность, быстрое восстановление кремниевого выпрямителя
SCSF4	Высокая сила тока, высокая плотность, быстрое восстановление кремниевого выпрямителя
SCSFF05	Высокая сила тока, высокая плотность, сверхбыстрый восстановительный кремниевый выпрямитель питания
SCSFF10	Высокая сила тока, высокая плотность, сверхбыстрый восстановительный кремниевый выпрямитель питания
SCSFF15	Высокая сила тока, высокая плотность, сверхбыстрый восстановительный кремниевый выпрямитель питания
SCSM0	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SCSM05	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SCSM1	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SCSM2	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SCSM4	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SCSM6	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SCSM8	Высокая сила тока, высокая плотность, стандартный восстановительный кремниевый силовой выпрямительный стержень
SET010203	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET010204	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET010211	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET010212	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET010219	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET040203	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET040204	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET040211	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET040212	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET040219	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока
SET050203	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET050204	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET050211	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET050212	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET050219	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET100203	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET100204	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET100211	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET100212	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET100219	Высокий ток, высокая плотность, изолированный, кремниевый выпрямитель тока DO5
SET130304	Половина, сильноточный диод сборки

.

Конденсаторные сглаживающие схемы и расчеты »Электроника Примечания

Резервные конденсаторы используются для сглаживания необработанного выпрямленного сигнала в источнике питания — важно выбрать правильный конденсатор с правильным значением и номинальным током пульсации.

---

Схемы блоков питания Учебник для начинающих и учебник Включает в себя:
Обзор электроники блока питания Линейный источник питания Импульсный источник питания Защита от перенапряжения Спецификации блока питания Цифровая мощность Шина управления питанием: PMbus Бесперебойный источник питания

---

В источнике питания, будь то линейный источник питания или импульсный источник питания, использующий источник питания переменного тока и диодные выпрямители, необработанный выпрямленный выходной сигнал обычно сглаживается с использованием накопительного конденсатора, прежде чем применяться к любым регуляторам или другим подобным электронным схемам. ,

Алюминиевые электролитические конденсаторы

идеально подходят для использования в качестве сглаживающих конденсаторов, так как многие электролитические системы способны обеспечивать достаточно высокую емкость и выдерживать уровень пульсаций тока, необходимый для сглаживания формы волны.

По сути, схема сглаживания заполняет основные провалы в необработанном выпрямленном сигнале, так что схема линейного стабилизатора или импульсного источника питания может работать правильно. Они изменяют форму волны с той, которая изменяется от нуля до пикового напряжения в течение цикла входной волны мощности, и изменяют его на форму, в которой изменения значительно меньше.По сути, они сглаживают форму волны, и это дает начало названию.

Поскольку сглаживающие конденсаторы используются как в линейных регулируемых источниках питания, так и в импульсных источниках питания, они составляют важную часть многих из этих электронных схем.

Двухполупериодный выпрямитель с сглаживающим конденсатором

Конденсатор сглаживающий основы

Конденсаторное сглаживание используется для большинства типов источников питания, будь то линейный регулируемый источник питания, импульсный источник питания или даже просто сглаженный и нерегулируемый источник питания.

Типичный электролитический конденсатор, используемый для сглаживания

Необработанный постоянный ток, подаваемый самим диодным выпрямителем, будет состоять из серии полусинусоидальных волн с напряжением, изменяющимся от нуля до √2-кратного среднеквадратичного напряжения (без учета каких-либо диодов и других потерь).

Форма волны такого рода не будет полезна для питания цепей, потому что любые аналоговые схемы будут иметь огромный уровень пульсаций, наложенных на выход, и любые цифровые схемы не будут работать, потому что мощность будет отключаться через каждые пол цикла.

Сглаживание конденсатора обеспечивает правильную работу следующих ступеней линейного регулируемого источника питания или импульсного источника питания.

Для сглаживания выхода выпрямителя используется емкостный конденсатор — размещенный на выходе выпрямителя и параллельно нагрузке.

Сглаживание работает, потому что конденсатор заряжается, когда напряжение с выпрямителя поднимается выше, чем у конденсатора, а затем, когда напряжение выпрямителя падает, конденсатор выдает требуемый ток от накопленного заряда.

Таким образом, конденсатор способен обеспечивать заряд, когда он не доступен от выпрямителя, и, соответственно, напряжение изменяется значительно меньше, чем если бы конденсатор не присутствовал.

Сглаживание конденсатора не обеспечит полной стабильности напряжения, всегда будет некоторое изменение напряжения. Фактически, чем выше значение конденсатора, тем больше сглаживание, а также чем меньше потребляемый ток, тем лучше сглаживание.

Сглаживающее действие резервуарного конденсатора

Следует помнить, что единственный путь разряда для конденсатора, кроме внутренней утечки, — через нагрузку на выпрямитель / систему сглаживания.Диоды предотвращают обратный поток через трансформатор и т. Д.

Еще один момент, о котором следует помнить, это то, что сглаживание конденсаторов не дает никакой формы регулирования, и напряжение будет изменяться в зависимости от нагрузки и любых изменений на входе.

Регулирование напряжения может быть обеспечено линейным регулятором или импульсным источником питания.

Значение сглаживающего конденсатора

Выбор значения конденсатора должен соответствовать ряду требований. В первом случае значение должно быть выбрано так, чтобы его постоянная времени была намного длиннее интервала времени между последовательными пиками выпрямленной формы волны:

р L о d ⋅ С > > 1 е

Где:
R _{нагрузка} = общее сопротивление нагрузки для источника питания
C = значение конденсатора в Фарадах
f = частота пульсаций — это будет в два раза больше частоты линии, используемой двухполупериодным выпрямителем.

Сглаживающее конденсаторное пульсационное напряжение

Поскольку на выходе выпрямителя с использованием сглаживающей конденсаторной цепи всегда будет присутствовать некоторая пульсация, необходимо иметь возможность оценить приблизительное значение. Чрезмерное указание конденсатора приведет к дополнительным затратам, размеру и весу, а занижение приведет к снижению производительности.

Пиковая пульсация на выходе для сглаживающего конденсатора на источнике питания (полная волна)

Диаграмма выше показывает пульсацию для двухполупериодного выпрямителя с сглаживанием конденсаторовЕсли использовать полуволновой выпрямитель, то половина пиков будет отсутствовать, и пульсация будет примерно вдвое больше напряжения.

Для случаев, когда пульсация мала по сравнению с напряжением питания — что почти всегда так — можно рассчитать пульсацию из знания условий цепи:

Двухполупериодный выпрямитель

В пульсация знак равно я нагрузка 2 е С

Половолновой выпрямитель

В пульсация знак равно я нагрузка е С

Эти уравнения обеспечивают более чем достаточную точность.Хотя разряд конденсатора для чисто резистивной нагрузки является экспоненциальным, неточность, вносимая линейным приближением, очень мала для низких значений пульсаций.

Также стоит помнить, что вход для регулятора напряжения — это не чисто резистивная нагрузка, а нагрузка постоянного тока. Наконец, допуски электролитических конденсаторов, используемых для сглаживающих цепей выпрямителей, велики — в лучшем случае ± 20%, и это замаскирует любые неточности, внесенные в предположениях в уравнениях.

Пульсация тока

Двумя основными характеристиками конденсатора являются его емкость и рабочее напряжение. Однако для приложений, где могут протекать большие уровни тока, как в случае сглаживающего конденсатора выпрямителя, важен третий параметр — его максимальный пульсационный ток.

Ток пульсации не просто равен току питания. Есть два сценария:

• Ток разряда в конденсаторе: В цикле разряда максимальный ток, подаваемый конденсатором, возникает, когда выходной сигнал из цепи выпрямителя падает до нуля.В этот момент весь ток из схемы подается конденсатором. Это равно полному току цепи.

  Пиковый ток, подаваемый конденсатором в фазе разряда

• Зарядный ток конденсатора: В цикле зарядки сглаживающего конденсатора конденсатор должен заменить весь потерянный заряд, но он может достичь этого только тогда, когда напряжение от выпрямителя превышает напряжение от сглаживающего конденсатора. Это происходит только в течение короткого периода цикла.Следовательно, ток в этот период намного выше. Чем больше конденсатор, тем лучше он уменьшает пульсации и короче период зарядки.

  Более короткое время зарядки приводит к очень большим пиковым уровням тока, поскольку сглаживающий конденсатор должен поглощать достаточный заряд для периода разряда за очень короткое время.

  Период, в течение которого заряжается конденсатор блока питания

Pi секция сглаживания сетей

В некоторых приложениях линейный регулятор напряжения не будет использоваться, может потребоваться улучшенная форма сглаживания.Это может быть обеспечено с помощью двух конденсаторов и последовательного индуктора или резистора.

Подход сглаженного источника питания используется в некоторых высоковольтных системах и в некоторых других специализированных областях, но он не так распространен, как источники питания с линейным регулированием и импульсные источники питания, которые обеспечивают намного лучшее регулирование и сглаживание.

Этот подход также можно увидеть во многих старинных беспроводных устройствах, где использование линейного регулируемого источника питания было невозможно.

Pi сглаживающий фильтр

Существует два варианта системы сглаживания π-сечения.С двумя конденсаторами между линией и землей последовательный элемент был либо индуктором, либо резистором. Индуктор стоил намного дороже и давал лучшую производительность, но резистор был намного дешевле, хотя и рассеивал больше энергии.

Сглаживающие конденсаторы

являются важными элементами как линейных, так и импульсных источников питания, и поэтому они широко используются.

При выборе резервуарного конденсатора для сглаживающих применений в источнике питания не только значение с точки зрения емкости важно для обеспечения требуемого снижения пульсирующего напряжения, но также очень важно обеспечить, чтобы номинальный ток пульсации конденсатора не превышался.Если потребляется слишком большой ток, конденсатор нагревается и его ожидаемый срок службы уменьшается, а в крайних случаях он может выйти из строя, иногда катастрофически.

Больше схем и схемотехники:
Основы операционного усилителя Операционные усилители Цепи питания Транзисторная конструкция Транзистор Дарлингтон Транзисторные схемы Полевые схемы Схема символов
Возврат в меню схемы. , ,

.

Статья о выпрямителе от Free Dictionary

Выпрямитель

Нелинейный элемент цепи, который позволяет протекать большему току в одном направлении, чем в другом. Идеальным выпрямителем является тот, который позволяет току течь в одном (прямом) направлении беспрепятственно, но не позволяет току течь в другом (обратном) направлении. Таким образом, идеальное выпрямление может рассматриваться как переключающее действие, когда переключатель замкнут для тока в одном направлении и разомкнут для тока в другом направлении.Выпрямители используются в основном для преобразования переменного тока (переменного тока) в постоянный ток (постоянного тока). См. Электронный источник питания

Используются различные элементы выпрямителя. Выпрямитель с вакуумными трубками может эффективно обеспечивать умеренную мощность. Ее сопротивление течению тока в обратном направлении по существу бесконечно, потому что трубка не проводит, когда ее пластина отрицательна относительно своего катода. В прямом направлении его сопротивление мало и почти постоянно.Газовые трубки, используемые в основном для более высоких требований к мощности, также имеют высокое сопротивление в обратном направлении. Преимущество полупроводникового выпрямителя заключается в том, что он не требует наличия нити накала или нагревателя. Этот тип выпрямителя имеет приблизительно постоянное прямое и обратное сопротивление, причем прямое сопротивление намного меньше. Механические выпрямители также могут быть использованы. Наиболее распространенным является вибратор, но используются и другие устройства. См. Полупроводниковый выпрямитель

Если средний ток вычитается из тока, протекающего в выпрямителе, возникает переменный ток.Этот пульсирующий ток, протекающий через нагрузку, создает пульсирующее напряжение, которое часто нежелательно. Цепи фильтра и регулятора используются для уменьшения его до минимально необходимого значения.

Схема полуволнового выпрямителя показана на рис. 1. Выпрямитель, диод, практически идеален. Вход переменного тока применяется к первичной обмотке трансформатора; Вторичное напряжение е питает выпрямитель и нагрузочный резистор R _L . Выпрямительное действие диода показано на рис.2, в котором ток i выпрямителя нанесен против напряжения e _d через диод. Приложенное синусоидальное напряжение от вторичной обмотки трансформатора показано под осью напряжения; результирующий ток i , протекающий через диод, показан справа в виде полусинусоидальных контуров.

В двухполупериодной выпрямительной схеме используются два отдельных диода. Результирующая форма волны тока показана на рисунке 3. Более непрерывный поток постоянного тока создается потому, что первый диод проводит для положительного полупериода, а второй диод проводит для отрицательного полупериода.

Когда электронная схема требует высокой мощности постоянного тока, может использоваться многофазная выпрямительная схема. Также желательно, когда должны использоваться дорогие фильтры. Это особенно относится к источникам питания для конечных радиочастотных и аудиочастотных каскадов крупных радио- и телевизионных передатчиков.