Выпрямитель тока – Типы выпрямителей переменного тока.

Типы выпрямителей переменного тока.

Какие бывают выпрямители?

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

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

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

Однополупериодный выпрямитель.

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

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

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

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

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

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

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

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

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

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

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

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (

Forward voltage drop — V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

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

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

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

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

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

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

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

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

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

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

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

 

go-radio.ru

Выпрямители тока

Выпрямитель или преобразователь электрического тока переменного направления в ток постоянного направления широко используется в электротехнике, так как многие электрические устройства на городском и железно-дорожном транспорте, в химической и радиотехнической промышленности, в цветной металлургии и др. работают на постоянном токе. Как уже указывалось выше, в простейшем случае переменный ток выпрямляется электрическим вентилем, пропускающим ток (например, синусоидальный) только или преимущественно в одном направлении. По видам применяемых вентилей выпрямители подразделяют на электроконтактные, кенотронные, газотронные, тиратронные, ртутные, полупроводниковые, тиристорные.

Различают схемы выпрямителей тока однополупериодные, двухполупериодные с нулевым выводом и мостовые. На рис. 3.4 (а) приведена однополупериодная схема выпрямителя однофазного тока. Основные элементы выпрямителя: трансформатор (Тр), вентиль (В) и сглаживающий фильтр (С). Напряжение , обычно синусоидальное, от источника переменного тока через трансформатор Тр подается на вентиль В. Токв нагрузкетечет только при положительной полярности подводимого напряжения, т.е. при открытом состоянии В. КонденсаторС заряжается положительными полуволнами пульсирующего тока, а в паузах соответствующих по времени отрицательным полуволнам, разряжается на нагрузку и пульсирующий ток сглаживается, усредняется. Такие схемы применяют в маломощных устройствах.

В двухполупериодной схеме выпрямителя применяют трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке (см. рис. 3.4, б). Благодаря такому соединению обмотки с вентилями выпрямленный ток формируется из обоих полуволн тока. Частота пульсаций выпрямленного тока при этом возрастает в два раза по сравнению с однополупериодным выпрямителем, что облегчает сглаживание.

Мостовая схема выпрямителя (рис. 3.4, в) также двухполупериодная, но вторичная обмотка трансформатора выполнена без средней точки и имеет в два раза меньше количество витков по сравнению со вторичной обмоткой трансформатора тока на рис. 3.4. (б).

Дополнительное сглаживание выпрямленного тока в этих схемах обеспечивается индукционно-емкостными либо резистивно-емкостными фильтрами. Указанные схемы широко использовались в устройствах автоматики и телемеханики.

В трехфазных цепях для питания особо мощных промышленных установок, во избежании несимметричности нагрузки на сеть электроснабжения, применяют схемы трехфазных выпрямителей тока.

Рис. 3.4. Схемы выпрямителей однофазного тока: а) однополупериодная; б) двухполупериодная; в) мостовая.	Рис. 3.5. Схемы выпрямителей трехфазного тока: а) однополупериодная; б) двухполупериодная мостовая.

Первичная обмотка трансформатора в таких выпрямителях соединяется в звезду или треугольник. В зависимости от числа вторичных обмоток трансформатора различают 3-, 6-, 12-, 18-фазные и т.д. однополупериодные и мостовые выпрямители трехфазного тока. На рис. 3.5, (а) приведена трехфазная однополупериодная схема. Первичная обмотка трансформатора соединена треугольником, а вторичная – звездой. Фазные токи выпрямляются и суммируются, образуя выпрямленный выходной ток. В мостовой трехфазной схеме (см. рис. 3.5, б) обе обмотки трансформатора соединены звездой. Данная схема выпрямления широко используется во многих отраслях техники. Это объясняется ее хорошими технико-экономическими показателями: эффективным использованием трансформатора, малой величиной обратного напряжения на вентиле, сравнительно малым коэффициентом пульсаций, высоким КПД и др. Трехфазная мостовая схема выпрямления используется так же, как элемент более сложных комбинированных схем выпрямления.Показанные на рис. 3.4 и 3.5 схемы носят познавательный характер, поскольку они наглядно показывают принципы построения одно-, трехфазных выпрямителей при различном исполнении (одно-, двухполупериодные, мостовые).

Трехфазная мостовая схема выпрямления широко используется во многих отраслях техники. Это объясняется ее хорошими технико-экономическими показателями: эффективным использованием трансформатора, малой величиной обратного напряжения на вентиле, сравнительно малым коэффициентом пульсаций, высоким КПД и др. Трехфазная мостовая схема выпрямления используется так же, как элемент более сложных комбинированных схем выпрямления.

studfiles.net

Выпрямители тока: принцип работы, схема

Выпрямитель — это устройство, которое создано для преобразования тока. Многие модели устанавливаются с фильтрами. Сфера применения выпрямителей очень широкая. Они активно используются в блоках питания, подстанциях, а также сварочных аппаратах.

В первую очередь модели делятся по фазам. Существуют двухфазные, а также трехфазные модификации. Мостовые устройства изготавливаются исключительно для преобразователей. По мощности выделяют силовые элементы, а также модели сигналов. По наличию устройств стабилизации они делятся на полноволновые, неполноволновые, двухпериодные и трансформаторные модификации. Для того чтобы разобраться в выпрямителях, необходимо рассмотреть схему обычной модели.

Схема выпрямителя

Схема выпрямителя тока включает в себя проводники с различной проводимостью тока. Также в устройствах используются каналы. Электронные вентили устанавливаются различной чувствительности. Если рассматривать мостовые модификации, то у них применяются стабилитроны. Также на рынке представлены диодные устройства.

Принцип действия

Принцип работы выпрямителя основывается на преобразовании тока. Осуществляется данный процесс за счет изменения частоты. Для этого в устройстве имеется электронный вентиль. Для стабилизации процесса преобразования используются каналы. Чтобы избежать проблем с отрицательной полярностью, устанавливаются стабилитроны. Непосредственно подключение устройства осуществляется через проводники.

Силовые устройства

Выпрямители тока данного типа используются в различных блоках питания. Наиболее часто их можно встретить в персональных компьютерах. Схема устройства предполагает использование векторного транзистора. Если рассматривать двухканальную модификацию, то подключение осуществляется через расширитель.

В некоторых устройствах используются тетроды. Если рассматривать трехканальные элементы, то они рассчитаны для блоков питания на 20 В. В данном случае тетроды никогда не применяются. Принцип работы выпрямителей построен на изменении частоты. Многие модификации продаются с электронными вентилями. Если говорить про параметры, то чувствительность устройства колеблется в районе 23 мВ. Непосредственно проводимость тока у моделей не превышает 2 мк.

Принцип работы выпрямителей сигналов

Выпрямители сигналов работают от обратной связи. Использоваться модели могут только в сети с переменным током. Если рассматривать устройства на 12 Вт, то следует отметить, что фильтры применяются только полудуплексного типа. Также стандартная схема выпрямителя подразумевает использование транзистора с ресивером.

У моделей на три канала обязательно используются триггеры. Данные устройства устанавливаются через изоляторы. Выходное напряжение у моделей, как правило, не превышает 20 В. Силовая электроника у выпрямителей позволила решить проблему с перепадами напряжения за счет установки диодных мостов.

Мостовые устройства

Мостовые выпрямители продаются для блоков питания и преобразователей. Действуют устройства в сети с переменным током. Непосредственно изменение частоты осуществляется за счет работы расширителя. Указанный элемент в выпрямителе играет роль проводника. В некоторых случаях он устанавливается с изоляторами. По системе защиты мостовые выпрямители довольно сильно отличаются.

Если рассматривать модификации на три канала, то у них используются триггеры. Данные элементы могут устанавливаться с обкладкой и без нее. Модификации на четыре канала встречаются очень редко. Показатель проводимости тока у выпрямителей не превышает 40 мк. В данном случае чувствительность устройства равняется 2,5 мк.

Двухфазные модификации

Двухфазные выпрямители тока производятся для транспортных средств. Работают модели по принципу изменения частоты. Осуществляться этот процесс может за счет расширителя либо триггера. Наиболее часто модели встречаются без тетродов. Параметр предельной перегрузки у модификаций не превышает 6 А. Фильтры используются, как правило, проводного типа.

Если рассматривать модификации на три канала, то у них есть двухразрядный триггер. Показатель его чувствительности составляет не более 3 мк. В свою очередь, выходное напряжение максимум равняется 35 В. Силовая электроника у двухфазных устройств дала возможность решить проблему с перегрузками напряжения благодаря использованию диодных мотов.

Трехфазные модели

Трехфазный выпрямитель встретить можно только в трансформаторных подстанциях. Работают устройства от высоковольтной чети. В данном случае принцип работы модели построен то резком увеличении частоты. Параметр выходного напряжения при этом остается неизменными. Выпускаются модели на три и четыре канала. Подсоединение у них происходит через проводники.

Трехфазный выпрямитель на три канала выпускается с тетродами. В некоторых случаях для стабилизации процесса преобразования применяются расширители. Если говорить про выпрямители на четыре канала, то важно отметить, что они производятся всегда с усилителями. В данном случае показатель проводимости тока лежит в пределах 70 мк. Чувствительность выпрямителя равняется не более 4,2 мВ.

Полноволновые устройства

Полноволновый выпрямитель напряжения тока работает за счет смены полярности на расширителях. Транзисторы, как правило, используются открытого типа. Подходят данные устройства для преобразователей на 20 и 30 В. Непосредственно параметр чувствительности у них равняется 3 мВ. В свою очередь, проводимость тока находится в районе 4,5 мк.

Если говорить про модификации на три канала, то они устанавливаются только в блоки питания с усилителями. Фильтры для выпрямителей подходят в основном расширительного типа. Если говорить про устройства на четыре канала, то у них показатель проводимости тока лежит в районе 3 мк. Для трансформаторных подстанций модели не подходят.

Неполноволновые модификации

Неполноволновые выпрямители тока отличаются отсутствием электронного вентиля. Выпускаются элементы только с двумя каналами. Непосредственно подсоединение модификации осуществляется через контакты. Изоляторы используются как с обкладкой, так и без нее. В некоторых случаях применяются усилители.

Также важно отметить, что устанавливаются выпрямители данного типа в контроллерах. Параметр выходного напряжения у них, как правило, не превышает 30 В. В среднем чувствительность устройств составляет 75 мВ. В данном случае проводимость тока зависит от типа используемых фильтров.

Однопериодные модификации

Однопериодные выпрямители тока производятся для различных ресиверов. Отличительной чертой элементов принято считать высокий параметр проводимости тока. Работают устройства от обратной полярности. Выпускаются модели на два и три канала. Если рассматривать первый вариант, то важно отметить, что проводники используются с обкладкой. В данном случае расширители устанавливаются редко. Параметр проводимости тока у выпрямителей колеблется в районе 3 мк.

Если говорить про устройства на три канала, то они всегда выпускаются с тетродами. Также схема модификации подразумевает использование модуляторов. Для низкочастотных ресиверов указанные выпрямители подходят идеально. В данном случае чувствительность составляет не более 60 мВ.

Схема двухпериодных устройств

Двухпериодный выпрямитель тока 220 В производится для преобразования тока от приводных устройств. В данном случае процесс происходит за счет изменения частоты напряжения. Расширители у моделей используются, как правило, отрытого типа. Если говорить про модификации на два канала, то у них применяются распределительные фильтры. В некоторых случаях устанавливаются триггеры. Для подключения устройств к приводным установкам необходимы транзисторы полевого типа. Выпускаются они с различной емкостью. Как правило, на рынке представлены модификации на 20 пФ.

Особенности трансформаторных устройств

Трансформаторный выпрямитель (преобразователь электрической энергии) способен работать в сети с постоянным и переменным током. В данном случае триггеры используются трехразрядного типа. Для подключения устройств применяются проводники. Встретить трансформаторные выпрямители можно на подстанциях. Данные устройства рассчитаны на высокое выходное напряжение.

Система защиты у них устанавливается с хроматическими фильтрами. В данном случае параметр чувствительности лежит в пределах 80 мВ. Для приводных механизмов указанные устройства не подходят однозначно. Показатель приводимости тока у них равняется 20 мк. Триггеры для цепей подбираются как открытого, так и закрытого типа. В среднем параметр пороговой перегрузки находится на уровне 5 А.

Модели с умножением напряжения

Выпрямители данного типа на сегодняшний день активно используются в преобразователях. Стандартная схема модификации включает в себя вентиль, а также транзисторы. В среднем показатель их емкости равняется 2 пФ. Непосредственно проводимость тока составляет не более 3 мк.

Если говорить про модификации на два канала, то у них используются расширители. Устанавливаются они как открытого, так и закрытого типа. Во многих моделях есть регуляторы. Если говорить про выпрямители на четыре канала, то они производятся с модуляторами. Для их работы используются различные триггеры. Чаще всего они встречаются трехразрядного типа.

Модификации с гальванической развязкой

Устройства с гальванической развязкой работают по принципу понижения частоты. Подключаются они только от сети с переменным током. В данном случае транзисторы устанавливаются на 20 пФ. Непосредственно показатель чувствительности равняется 88 мВ. Если говорить про модификации на три канала, то у них применяются импульсные модуляторы. Во многих моделях есть защитные системы, которые помогают справляться с перегрузами. Фильтры используются с лучевыми тетродами.

fb.ru

Выпрямители тока

Существует два типа выпрямителей:

1. Однополупериодный выпрямитель, показан на рис. 29.1. Диод D₁ в схеме на рис. 29.1 (а) проводит ток только в течение положительных полупериодов входного напряжения, обеспечивая формирование на выходе выпрямителя напряжение только положительной полярности. Если изменить полярность включения диода (рис. 29.1(б)), то на выхо­де выпрямителя будут воспроизводиться только отрицательные полу­периоды входного напряжения. Выходное напряжение содержит по­стоянную составляющую (рис. 29.2), уровень которой приблизительно втрое ниже максимального (пикового) уровня напряжения (0,318V_p, где V_p – максимальное напряжение).

2. Двухполупериодный выпрямитель, показан на рис. 29.3. В этом слу­чае используется трансформатор с отводом от средней точки вторич­ной обмотки. ЭДС, индуцируемые в каждой из половин вторичной обмотки, в любой момент времени равны по величине и противоположны по знаку.

Рис. 29.1. Однополупериодный выпрямитель с положительной (а)

и отрицательной (б) полярностью выходного напряжения.

 

Рис. 29.2
	Рис. 29.3. Двухполупериодный выпрямитель с использованием трансформатора с отводом от средней точки вторичной обмотки.

 

 

 

 

Рис. 29.4. Уровень постоянной составляющей при двухполупериодном выпря­млении синусоидального тока вдвое выше (0,636V_р), чем при однополупериодном выпрямлении.

Для одного полупериода входного напряжения потенциал точки А положителен, а потенциал точки В отрицателен по отноше­нию к среднему выводу вторичной обмотки, для другого полупериода ситуация изменяется на обратную. В первом случае открыт диод diи через этот диод и нагрузку R_L протекает ток I₁. Во втором случае открыт диод D₁ и ток I₂ протекает через нагрузку R_L в том же на­правлении, что и ток I₁. Форма выходного напряжения показана на рис. 29.4. В данном случае уровень постоянной составляющей на выходе выпрямителя вдвое выше, чем при однополупериодном выпрямле­нии тока (0,636V_p, или приблизительно две трети от максимального напряжения).

Мостовой выпрямитель                     

Еще одна схема, обеспечивающая двухполупериодное выпрямление тока, показана на рис. 29.5. Это так называемый мостовой выпрямитель. В те­чение положительного полупериода входного напряжения (рис. 29.6(а)) потенциал точки А положителен, а потенциал точки В отрицателен. Дио­ды D₁и D₃ открыты, и ток I₁ протекает через нагрузку R_Lв направлений, указанном стрелкой (сверху вниз на рисунке). В течение отрицательного полупериода (рис. 29.6(б)), напротив, потенциал точки А отрицателен, а потенциал точки В положителен.

 

Рис. 29.5. Мостовой выпрямитель.

Рис. 29.6.

Теперь открыты диоды D₂ и D₄, и ток протекает через нагрузку R_Lв том же самом направлении.

Для мостового выпрямителя не нужен трансформатор с отводом от средней точки вторичной обмотки. Однако трансформатор может быть использован для изменения уровня переменного напряжения на входе этого выпрямителя.

 

Накопительный конденсатор

Для снижения уровня переменных составляющих выпрямленного тока используется накопительный конденсатор С₁, включаемый параллельно нагрузке (рис. 29.7). Этот конденсатор заряжается до максимального входного напряжения и затем разряжается через нагрузку R_L, предот­вращая быстрый спад напряжения. На рис. 29.8 иллюстрируется влияние накопительного конденсатора на форму выходного напряжения однополупериодного и двухполупериодного выпрямителей. В обоих случаях выходное напряжение содержит значительную по величине постояннуюсоставляющую, на которую наложены малые пульсации напряжения. Амплитуда этих пульсаций определяется постоянной времени       (RC-постоянной) для используемого накопительного конденсатора и нагрузочного резистора.

 

Рис. 29.7. Источник питания постоянного тока с накопительным конденсато­ром.

 

Рис. 29.8. Влияние накопительного конденсатора на форму выпрямленного

 синусоидального напряжения.

Поэтому накопительный конденсатор должен иметь значительную емкость – от 100             до 5000 мкФ (и даже больше).

Сравнение двух временных диаграмм, представленных на рис. 29.8, показывает, что двухполупериодное выпрямление тока имеет следующие преимущества:          

                                   

1. Время разряда накопительного конденсатора меньше, поэтому амплитуда пульсаций выходного напряжения тоже меньше.            

2. Частота пульсаций вдвое превышает частоту входного питающего напряжения переменного тока, тогда как при однополупериодном выпрямлении частота пульсаций совпадает с частотой питающего напряжения. Например, если выпрямитель питается от бытовой электросети, то для двухполупериодного выпрямителя частота пульсаций будет равна 2 · 50 = 100 Гц, а для однополупериодного — только 50 Гц. Как будет показано далее, более высокочастотные пульсации отфильтро­вываются легче.

 

Напряжение холостого хода

Напряжением холостого хода называют величину выходного напряжений источника питания при нулевом токе нагрузки, т. е. при отключенной нагрузке.

Рис. 29.9. Напряжение холостого хода равно максимальному входному напря­жению.

На рис 29.9 показан простой источник питания без нагрузочного резистора. Накопительный конденсатор заряжается, как обычно, до максимального значения входного напряжения. Однако, если нагрузка подключена (noload), этот конденсатор сохраняет свой заряд и обеспечивает тем самым постоянное значение выходного напряжения (равное максимальному входному напряжению) без каких-либо пульсаций. Та­ким образом, напряжение холостого хода V_nl – это максимально воз­можное выходное напряжение источника питания. При питании от бы­товой электросети с напряжением V_ср.кв. = 240 В (среднеквадратическое значение) напряжение холостого хода

Максимальное обратное напряжение

Важный фактор, который необходимо принимать во внимание при выборе диодов для источников питания постоянного тока, — максимальное на­пряжение, приложенное к диоду в «непроводящем» полупериоде. Эта ве­личина называется максимальным обратным напряжением. Рассмотрим схему на рис. 29.9. Максимальное значение потенциала катода диода Dравно напряжению холостого хода 336 В. Потенциал катода изменяет­ся от положительного максимума +336 В до отрицательного минимума -336 В. Максимальное обратное напряжение, которое должен выдержи­вать диод, достигается, когда потенциал анода отрицателен и максима­лен по абсолютной величине, то есть, равен -336 В. В этом случае на диоде падает напряжение 336 + 336 = 672 В. Таким образом, максималь­ное обратное напряжение вдвое больше напряжения холостого хода, т. е. вдвое больше максимального входного напряжения.

RC-сглаживание

Пульсации напряжения в выходном сигнале выпрямителя могут быть Уменьшены с помощью фильтра нижних частот (сглаживающего филь­ма). Резистор R₁ и конденсатор С₂ в схеме на рис. 29.10 образуют про­стейший RC-фильтр. Для эффективного ослабления пульсаций постоянная времени R₁C₂ должна быть очень велика по сравнению с пери­одом пульсаций.

Рис. 29.10. Источник питания с RC-фильтром.

При заданной постоянной времени, чем короче период пульсаций (т. е. чем выше их частота), тем эффективнее осуществляется сглаживание. Именно поэтому пульсации на выходе двухполупериодного выпрямителя сглаживаются лучше, чем пульсации на выходе однополупериодного выпрямителя.

Емкость конденсатора C₂ сглаживающего фильтра должна быть боль­шой — от 100 до 5000 мкФ, т. е. сравнима с емкостью накопительного кон­денсатора C₁. Сопротивление резистора R₁, наоборот, должно быть мало, в противном случае ток нагрузки будет создавать на нем большое паде­ние напряжения и выходное напряжение источника питания уменьшится. Номинал этого резистора выбирается в диапазоне 1 – 100 Ом в зависимости от величины тока нагрузки.

 LC-сглаживание

Более эффективная схема сглаживания пульсаций показана на рис. 29.11. Катушка индуктивности L₁ и конденсатор C₂ образуют фильтр нижних частот. Дроссель L₁ сглаживающего фильтра имеет большую индуктив­ность (100 мГн — 10 Гн), благодаря чему сглаживаются изменения тока, протекающего через дроссель, и, как следствие, пульсации выходного на­пряжения. Низкое активное сопротивление дросселя — одно из его пре­имуществ, большие габариты — недостаток. Заметим, что в отличие от накопительного конденсатора, который повышает уровень постоянной со­ставляющей выходного напряжения источника питания, сглаживающая цепь оставляет этот уровень практически неизменным. Она только осла­бляет переменную составляющую на выходе источника питания.

Стабилизация

Увеличение тока, потребляемого от источника питания, приводит к уменьшению его выходного напряжения.

Рис. 29.11. Источник питания постоянного тока с LC-фильтром.

 

Рис. 29.12. Нагрузочная характеристика нестабилизированного источника пи­тания.

Это связано с тем, что источник питания имеет свое внутреннее сопротивление, представляющее собой сумму сопротивлений обмотки трансформатора, выпрямительных диодов и резистора или дросселя сглаживающего фильтра. Рисунок 29.12 иллю­стрирует изменение напряжения на выходе источника питания при из­менении тока нагрузки. Представленная кривая называется нагрузочной характеристикой (кривой). Выходное напряжение максимально, когда ток нагрузки равен нулю, т. е. при холостом ходе. Напряжение на выходе источника питания, которое он обеспечивает при установленной полной нагрузке или номинальном (полном) токе нагрузки (fullload), называется номинальным выходным напряжением источника питания V_fl.

Изменение выходного напряжения при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения задается в процентах и определяется как

Напряжение холостого хода — Номинальное напряжение                        V_nl – V_fl  

———————————————————————————  · 100% = ———— · 100%

Номинальное напряжение                                                        V_fl

 

В этом видео рассказывается о выпрямительных схемах:

Добавить комментарий

radiolubitel.net

Выпрямитель тока — это… Что такое Выпрямитель тока?

        преобразователь электрического тока переменного направления в ток постоянного направления. Большинство мощных источников электрической энергии вырабатывают ток переменного направления (см. Переменный ток). Однако многие электрические устройства на городском и железнодорожном транспорте, в химической и радиотехнической промышленности, в цветной металлургии и др. работают на токе постоянного направления (см. Постоянный ток) различного напряжения. В простейшем случае переменный ток выпрямляется вентилем электрическим (См. Вентиль электрический), пропускающим ток (например, синусоидальный) только или преимущественно в одном направлении. По видам применяемых вентилей В. т. подразделяют на электроконтактные, кенотронные, газотронные, тиратронные, ртутные, полупроводниковые и тиристорные.

         Различают схемы В. т. однополупериодные, двухполупериодные с нулевым выводом и мостовые. На рис. 1, а приведена однополупериодная схема выпрямителя однофазного тока. Основные элементы В. т.: трансформатор Тр, вентиль В и сглаживающий фильтр С. Напряжение U₁, обычно синусоидальное, от источника переменного тока через трансформатор Тр подаётся на вентиль В. Ток J в нагрузке R_н течёт только при положительной полярности подводимого напряжения, т. е. при открытом состоянии В. Конденсатор С заряжается положительными полуволнами пульсирующего тока, а в паузах, соответствующих по времени отрицательным полуволнам, разряжается на нагрузку. Таким образом, пульсирующий ток сглаживается, усредняется.

         Однополупериодные однофазные схемы В. т. применяют главным образом в маломощных устройствах с ёмкостным или индуктивным сглаживающим фильтром. Основное преимущество — простота и малое число вентилей; недостатки — большие пульсации выпрямленного напряжения и высокое обратное напряжение на вентилях (при ёмкостном фильтре).

         В двухполупериодной схеме В. т. (рис. 1, б) применяют трансформатор со средней точкой во вторичной обмотке. Благодаря такому соединению обмотки с вентилями выпрямленный ток формируется из обеих полуволн тока. Частота пульсаций выпрямленного тока при этом возрастает в два раза по сравнению с однополупериодным В. т. (так, если U₁ — напряжение промышленной частоты 50 гц, то частота пульсации тока на нагрузке будет 100 гц), что облегчает сглаживание. Мостовая схема В. т. (рис. 1, в) также двухполупериодная, но вторичная обмотка трансформатора выполнена без средней точки и имеет в два раза меньшее количество витков по сравнению со вторичной обмоткой трансформатора на рис. 1, б. Дополнительное сглаживание выпрямленного тока в этих схемах обеспечивается индуктивно-ёмкостными либо резистивно-ёмкостными фильтрами (см. Электрический фильтр). Указанные схемы В. т. применяют обычно в системах питания устройств, у которых потребляемая мощность не превышает нескольких квт (радиоприёмники, телевизоры, некоторые устройства автоматики и телемеханики и др.), и лишь в отдельных случаях для питания мощных (до тысячи квт) устройств (например, двигателей электровозов). Существуют В. т., в которых наряду с выпрямлением тока осуществляется умножение выпрямленного напряжения. Схемы с умножением обычно применяют в высоковольтных установках, предназначенных для испытания электрической изоляции, а также в рентгеновских установках, электронных осциллографах и т.п.          В трёхфазных цепях (См. Трёхфазная цепь) для питания мощных промышленных установок, во избежание несимметричности нагрузки на сеть электроснабжения, применяют схемы трёхфазных В. т. Первичная обмотка трансформатора в таких В. т. соединяется в звезду или треугольник. В зависимости от числа вторичных обмоток трансформатора различают 3-, 6-, 12-, 18-фазные и т.д. однополупериодные и мостовые выпрямители трёхфазного тока. На рис. 2, а приведена трёхфазная однополупериодная схема. Первичная обмотка трансформатора соединена треугольником, а вторичная — звездой. Фазные токи i₁, i₂, i₃ выпрямляются и суммируются, образуя выпрямленный выходной ток J. В мостовой трёхфазной схеме (рис. 2, б) обе обмотки трансформатора соединены звездой. Основные преимущества её такие же, как и у однофазных схем В. т.

         Лит.: Каганов И. Л., Электронные и ионные преобразователи, ч. 1—3, М. — Л., 1950—56.

         М. М. Гельман.

        

        Рис. 1. Схемы выпрямителей однофазного тока: а — однополупериодная; б — двухполупернодная; в — мостовая.

        

        Рис. 2. Схемы выпрямителей трёхфазного тока: а — однополупериодная; б — двухполупериодная мостовая.

dic.academic.ru

4. Выпрямление переменного тока

Для питания электронных устройств требуется постоянное напряжение различных значений. Наиболее распространенным источником электрической энергии является промышленная сеть переменного напряжения частотой 50 Гц. Для преобразования переменного напряжения в постоянное (однополярное) применяют выпрямительные устройства. Существует однополупериодное и двухполупериодное выпрямление переменного тока.

Рис. 9. Схема однополупериодного выпрямителя.

Схема полупроводникового однополупериодного выпрямителя приведена на рис. 9. В этом выпрямителе полупроводниковый диодVDвключен последовательно с нагрузочным резисторомR_н и вторичной обмоткой трансформатораT. Первичная обмотка трансформатора питается, как правило, от сети.

Из временных диаграмм (рис. 10) видно, что ток I_нв нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряженияU_АБ, когда потенциал точкиаположителен по отношению к потенциалу точкиб,диод открыт и через нагрузку протекает ток.

Во второй полупериод полярность напряжений на вторичной обмотке трансформатора изменяется на противоположную и потенциал точки астановится отрицательным по отношению к потенциалу точкиб.При такой полярности диод включен в обратном направлении и ток в нагрузке будет равен нулю.

Рис. 10. Временные диаграммы однополупериодного выпрямителя.

Широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители, в которых, в отличие от однополупериодных выпрямителей, используются оба полупериода напряжения сети. Из них наибольшее распространение получил мостовой двухполупериодньгй выпрямитель (рис. 11), состоящий из трансформатора, четырех полупроводниковых диодов VD1 – VD4(включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.

Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.

В один из полупериодов напряжения сети, когда точка аимеет положительный по отношению к точкеб потенциал, диодыVD2 иVD3открыты, а диодыVD1 иVD4закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажимавторичной обмотки трансформатора, диодVD2, нагрузочный резисторR_н, диодVD3и зажимб.В следующий полупериод, когда потенциал точкиастановится отрицательным по отношению к точкеб, открыты диодыVD1иVD4,а диодыVD2иVD3закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точкаб, диодVD4, нагрузочный резисторR_н, диодVD1и точкаавторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резистореR_нимеет одно и то же направление. На рис. 12 представлены временные диаграммы токов и напряжений мостового двухполупериодного выпрямителя.

Рис. 12. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя.

Мостовой выпрямитель по сравнению с однополупериодным имеет ряд преимуществ. В частности, при одном и том же напряжении вторичной обмотки трансформатора и сопротивлении нагрузки R_н средний выпрямленный ток /_{н ср}и напряжениеU_{н ср}в мостовом выпрямителе почти в два раза больше, чем в однополупериодном.

Недостатком мостовой схемы выпрямителя является необходимость применения четырех диодов.

Для того, чтобы избежать пульсирующего характера напряжения U_ни токаI_ннагрузки, в выпрямительных устройствах применяются различныесглаживающие фильтры. Простейшим из них является ёмкостной фильтр. Для этого параллельно сопротивлению нагрузки подключается конденсатор.

Рис. 13. Схема однополупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

На рис. 13 приведена схема однополупериодного выпрямителя с ёмкостным сглаживающим фильтром, а на рис.14 – диаграммы, иллюстрирующие его работу.

По мере роста напряжения на зажимах вторичной обмотки трансформатора U_АБконденсаторCзаряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диодVDпропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжениеU_АБуменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диодVDзапирается, а конденсатор начинает разряжаться на резисторR_н. Скорость разряда конденсатора определяется постоянной времени_разр=R_нС. В дальнейшем описанный процесс периодически повторяется.

Рис. 14. Временные диаграммы двухполупериодного выпрямителя со сглаживающим фильтром.

При работе такого выпрямителя существенно уменьшаются пульсации выпрямленного напряжения. Однако следует помнить, что в выпрямителе с ёмкостным сглаживающим фильтром наблюдается значительная зависимость среднего значения выпрямленного напряжения от тока нагрузки.

studfiles.net

Выпрямители переменного тока и напряжения

   Недостатком гальванических элементов, используемых для питания различной электронной аппаратуры, является ограниченный срок их службы и необходимость периодической замены. Такие неудобства особенно ощутимы, когда нагрузка потребляет токи большой силы, например, при питании электродвигателей постоянного тока, выходных каскадов мощного усилителя и т. п. Поэтому для питания электронной аппаратуры лучше использовать электрическую энергию промышленной сети.
   Однако подключать электронное устройство, рассчитанное на питание от батарей, непосредственно к промышленной сети нельзя. Предварительно переменное напряжение сети необходимо преобразовать в постоянное. Последовательность такого преобразования показана на рисунке.
  

  
  
   Для питания транзисторной аппаратуры в большинстве случаев используются напряжения, меньшие, чем сетевые. Это возможно при применении трансформатора, называемого силовым. Затем переменное напряжение надо преобразовать в постоянное. Постоянное напряжение получают в два этапа.
   На первом этапе переменное напряжение преобразуется в пульсирующее, отличающееся от переменного тем, что оно изменяется только в одну сторону от нулевого значения. Устройство, осуществляющее такое преобразование, называется выпрямителем.
   Второй этап состоит в преобразовании с помощью электрического фильтра выпрямленного (пульсирующего) напряжения в постоянное.

   Для получения пульсирующего напряжения из переменного используют специальные элементы, обладающие односторонней электропроводностью: полупроводниковые и электровакуумные диоды.
   Самый простой выпрямитель можно построить на основе всего лишь одного выпрямительного элемента, например полупроводникового диода.

   При подключении выпрямителя к источнику переменного напряжения U_BX в течение положительных полупериодов переменного напряжения диод VD оказывается включенным в прямом направлении, сопротивление его становится очень небольшим и через нагрузку R_H протекает ток, вызывающий на ней падение напряжения.
   В течение отрицательных полупериодов диод включается в обратном направлении, его сопротивление становится очень большим, в результате чего ток, протекающий через диод и нагрузку, оказывается весьма малым. Таким образом, благодаря полупроводниковому диоду через нагрузку протекает пульсирующий ток. Поскольку этот ток протекает лишь в положительные полупериоды, а при отрицательных полупериодах очень мал, такой выпрямитель называют однополупериодным. Частота пульсаций однополупериодного выпрямителя равна частоте напряжения, подводимого к выпрямителю.
   Пульсирующий ток, протекая через нагрузку, создает на ней пульсирующее напряжение, которое является источником сильных помех. Если от такого источника напряжения питать, например, радиоприемник, будет слышен сильный неприятный гул, называемый фоном.
Чтобы его уменьшить, следует «сгладить» пульсации напряжения на выходе выпрямителя. Для этого выпрямленное напряжение подают сначала на сглаживающее устройство — фильтр, а уже с фильтра — на нагрузку.
   Простейшим фильтром может служить конденсатор, подключаемый параллельно нагрузке. В течение положительного полупериода входного напряжения ток протекает через нагрузку R_H и конденсатор С, заряжая его до некоторого максимального напряжения. В отрицательный полупериод диод закрывается, и конденсатор начинает разряжаться через нагрузку. Таким образом, через нагрузку ток протекает как в положительный, так и в отрицательный полупериоды входного напряжения. Источником тока, протекающего через нагрузку в отрицательный полупериод, является конденсатор. Вследствие того, что по мере разрядки конденсатора напряжение на нем уменьшается, будет уменьшаться и напряжение на нагрузке. Следовательно, напряжение на нагрузке при подключении параллельно ей конденсатора остается пульсирующим, но амплитуда пульсаций Uп меньшая, чем при отсутствии конденсатора. Чем больше емкость конденсатора, тем больший заряд будет накоплен им в положительный полупериод и тем больше времени потребуется для его разрядки. А это значит, что увеличение емкости конденсатора приводит к уменьшению пульсаций.
   Отношение амплитуды пульсаций напряжения Uп к среднему значению выпрямленного напряжения U₀ называют коэффициентом пульсаций Кр. Из графиков видно, что подключение к выходу выпрямителя конденсатора приводит к уменьшению коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения.
   Однополупериодный выпрямитель прост по конструкции, однако обладает наименьшим по сравнению с другими видами выпрямителей коэффициентом полезного действия (КПД) и повышенными пульсациями выпрямленного напряжения. Амплитуда пульсаций значительно увеличивается при возрастании тока нагрузки, так как при этом увеличивается разрядный ток конденсатора С. Поэтому однополупериодные выпрямители с емкостным фильтром используются для питания маломощных приемников и других устройств с малым током потребления.

 

   Для питания радиоаппаратуры чаще всего используются выпрямители, работающие по двухполупериодной схеме. В одном из таких двухполупериодных выпрямителей применяется средний вывод от вторичной обмотки трансформатора. Выпрямительные диоды VD1 и VD2 подключены к концам вторичной обмотки. Такой выпрямитель представляет собой как бы два однополупериодных выпрямителя, работающих на общую нагрузку R_H и фильтр С.
   Действительно, когда на верхнем конце вторичной обмотки возникает положительное напряжение (положительный полупериод), на нижнем конце вторичной обмотки образуется отрицательное напряжение (отрицательный полупериод. Поэтому диод VD1 будет открыт, a VD2 закрыт, и ток нагрузки создается напряжением верхней половины вторичной обмотки трансформатора.
   В следующий полупериод напряжение на верхнем конце вторичной обмотки трансформатора окажется отрицательным, а на нижнем — положительным. Диод VD1 будет закрыт, a VD2 — открыт, ток нагрузки вырабатывается нижней половиной IIб вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в данной схеме диоды VD1 и VD2 работают поочередно, и процесс выпрямления переменного тока идет непрерывно.
   Частота пульсаций на выходе такого выпрямителя в 2 раза больше, чем в однополупериодном выпрямителе. Это приводит к увеличению выпрямленного тока, что облегчает задачу сглаживания пульсаций, так как уменьшается время, в течение которого происходит разрядка конденсатора фильтра.
   Коэффициент пульсаций в такой схеме оказывается в 2 раза меньше, чем в схеме однополупериодного выпрямителя.
   Чаще всего двухполупериодный выпрямитель выполняют по мостовой схеме.

 При этом приходится использовать не два, а четыре диода. Но зато трансформатор для такого выпрямителя изготовить проще: не надо делать дополнительного вывода от середины вторичной обмотки, и сама вторичная обмотка содержит в 2 раза меньшее число витков. Когда на верхнем конце вторичной обмотки образуется положительный полупериод («+»), а на нижнем — отрицательный («—»),ток протекает через диоды VD2, VD3 и нагрузку.
Диоды VD1 и VD4 при этом закрыты. В следующий полупериод переменного напряжения на верхнем конце вторичной обмотки создается отрицательное напряжение, а на нижнем — положительное, и ток протекает через диоды VD1, VD4 и нагрузку Rн, а диоды VD2 и VD3 закрыты.

Выбор диодов для выпрямителя

   Диоды для выпрямителя выбирают по двум основным параметрам постоянному (выпрямленному) току, который должен давать выпрямитель, и обратному напряжению. Эти параметры выпрямительных диодов всегда приводятся в справочниках.
  Выпрямленный ток диода должен быть не меньше полного тока, потребляемого нагрузкой. Чтобы в процессе работы диоды меньше нагревались, желательно применять такие из них, у которых выпрямленный ток был бы в 2..3 раза больше, чем требуемый.
  В течение отрицательного полупериода, соответствующего закрытому состоянию диода, к выпрямительному диоду прикладывается обратное напряжение. Оно складывается из напряжения, действующего на вторичной обмотке, и напряжения на конденсаторе, подключенном к выходу выпрямителя. Так как при малых токах нагрузки конденсатор заряжается до напряжения, почти равного амплитудному на вторичной обмотке, можно считать, что максимальное обратное напряжение, прикладываемое к диоду, равно удвоенному амплитудному напряжению вторичной обмотки. Например, если напряжение вторичной обмотки составляет 30 В, то амплитудное напряжение

Диод, использованный в таком выпрямителе, должен иметь допустимое обратное напряжение не менее 84 В.

 

nauchebe.net