Элементы выпрямителя. Выпрямители 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 диодVD включен 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 н в нагрузке имеет импульсный характер. В течение первого полупериода напряженияU АБ , когда потенциал точкиа положителен 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 а становится 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 VD 1 – VD 4 (включенных по мостовой схеме) и нагрузочного резистора.

Рис. 11. Схема двухполупериодного выпрямителя.

В один из полупериодов напряжения сети, когда точка а имеет положительный по отношению к точкеб потенциал, диодыVD2 иVD 3 открыты, а диодыVD 1 иVD4 закрыты. Ток в этот полупериод имеет направление: зажима вторичной обмотки трансформатора, диодVD2 , нагрузочный резисторR н , диодVD3 и зажимб . В следующий полупериод, когда потенциал точкиа становится отрицательным по отношению к точкеб , открыты диодыVD1 иVD4, а диодыVD2 иVD3 закрыты. Протекающий в схеме ток имеет следующее направление: точкаб , диодVD4 , нагрузочный резисторR н , диодVD1 и точкаа вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, в течение всего периода ток в нагрузочном резистореR н имеет 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 н и токаI н нагрузки, 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 АБ конденсаторC заряжается и напряжение на нём повышается. Во время положительного полупериода диодVD пропускает ток, который заряжает конденсатор (практически до амплитудного значения переменного напряжения) и одновременно питает сопротивление нагрузки. Затем напряжениеU АБ уменьшается и, когда оно становится меньше, чем напряжение на конденсаторе, диодVD запирается, 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.

Поскольку большинство радиоэлектронных устройств питаются постоянным током, а в нашей сети переменный, то самое время научиться его «выпрямлять». Для преобразования переменного напряжения или тока в постоянный служат выпрямители, о которых мы и поговорим. Самый простой выпрямитель можно выполнить всего на одном диоде:

На графиках, полученных с помощью осциллографа и представленных на рисунке, хорошо видно, что до диода напряжение было переменным, разнополярным. Диод «обрезал» отрицательные полуволны, и остались одни положительные. Таким образом, мы получили однополярное напряжение, но оно сильно пульсирует, и питать им электронику невозможно. Чтобы сгладить пульсации используют конденсаторы большой емкости:

Пока проходит положительная полуволна, конденсатор заряжается, во время провала он отдает запасенную энергию и разряжается. Теперь дело обстоит несколько лучше, но не совсем хорошо — чем мощнее нагрузка, тем глубже будут провалы и тем большую емкость нужно включать, чтобы как-то спасти положение. Поэтому такой вид выпрямителя, который называется однополупериодным , используют достаточно редко и только для выпрямления переменного тока достаточно высокой частоты и малых токов нагрузки. В противном случае размеры сглаживающих конденсаторов будут неоправданно большими.

Для улучшения формы выпрямленного напряжения достаточно добавить в схему еще три диода:

В этом выпрямителе, который называют двухполупериодным, волны перенаправляются диодами и на выходе получается тоже пульсирующее напряжение, но удвоенной частоты, а пауз между импульсами практически нет. Добавим сюда сглаживающий конденсатор и увидим, что постоянное напряжение действительно похоже на постоянное:

Преимущество такого типа выпрямителя не только в лучшей форме выпрямленного напряжения, но и в том, что в качестве диодов можно использовать приборы, рассчитанные на вдвое меньший ток, поскольку в каждый момент времени через каждый диод течет только половина тока нагрузки. Такая схема получила настолько широкое распространение, что диоды собирают в мосты прямо на заводе. Такие сборки мы называем диодными или выпрямительными мостами.

Но двухполупериодная схема может иметь и другой вид, в котором присутствует всего два диода:

Здесь «минусовым» проводом служит отвод от середины вторичной обмотки трансформатора, а положительные полуволны собираются двумя диодами на «плюсе» благодаря двум одинаковым полуобмоткам. В этой схеме диоды тоже работают с половинным током нагрузки, но оправдана она лишь тогда, когда трансформатор имеет две обмотки, каждая из которых выдает номинальное напряжение и обмотки эти можно включить последовательно.

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.

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

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)).

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. 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 .

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

Из предыдущего выражения имеем:

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:

Как известно, электрическая энергия производится, распределяется и потребляется преимущественно в виде энергии переменного тока. Так удобнее. Однако потребители электрической энергии бывают разные. Для потребителей переменного тока (асинхронных и синхронных электрических двигателей, трансформаторов, люминесцентных ламп) важно, чтобы потребляемый ими ток был знакопеременным (лучше всего – синусоидальным). Частота изменения знака тока стандартизована (в Украине – 50 Гц). Другие потребители требуют, ток был одного знака. К таким относятся электрические двигатели переменного тока, аккумуляторные батареи во время их заряда, гальванические и электролизные ванны, сварочные установки, электронные микросхемы и т.п. Их называют потребителями постоянного тока.

Выпрямитель – полупроводниковый преобразователь энергии, предназначенный для преобразования электрической энергии переменного тока в энергию постоянного тока. Потребность в использовании выпрямителя возникает тогда, когда для питания потребителя постоянного тока необходимо использовать энергию из источника переменного тока (например, промышленной или бытовой сети переменного тока). В таком случае выпрямитель включают между источником переменного тока и потребителем постоянного тока.

Выпрямители широко используются в блоках питания компьютеров, агрегатах бесперебойного питания, зарядных устройствах для мобильных телефонов и ноутбуков, на преобразовательных подстанциях электрического транспорта, в электроприводах постоянного тока, разнообразных электронных схемах.

Какие бывают выпрямители

Если задачей выпрямителя есть лишь преобразование рода тока (выпрямление), их строят на основе неуправляемых вентилей (диодов). В случае, когда на выпрямитель возложено также регулирование уровня напряжения, подаваемого к потребителю, необходимо использование управляемых вентилей (тиристоров). Подобного регулирования требует, например, электрический двигатель постоянного тока для изменения скорости вращения.

В зависимости от количества фаз питающей сети различают однофазные выпрямители и трехфазные.

По уровню мощности выпрямители подразделяют на маломощные (выпрямители сигналов) и мощные или силовые.

Вентили

Современные вентили – обычно полупроводниковые (маломощные – на основе кристаллов германия, более мощные – кремниевые). Не вдаваясь в подробности их внутреннего строения и физических принципов функционирования, рассмотрим только потребительские свойства.

Простейший из вентилей (диод ) является неуправляемым. Он имеет два вывода (анод А и катод К, см. рис. 1) и может проводить ток только в одном направлении – от анода к катоду. Если к аноду приложен положительный потенциал, а к катоду – отрицательный (как на рис. 1а), диод будет открыт, и через него будет протекать ток. Если поменять направление включения диода (как на рис. 1б) или источника питания U , ддиод будет закрыт, а ток – отсутствовать. Будем считать диод идеальным вентилем (то есть, его внутреннее сопротивление в открытом состоянии равно нулю, а в закрытом – бесконечности). Графическое обозначение диода на электрических схемах похоже на стрелку, показывающую единственное возможное направление протекания тока. Чтобы отличить на схеме один диод от других, рядом с их графическим обозначением пишут VD и текущий номер диода (например VD1 ).

Рис. 1. Способы включения диода (а – прямой, б – обратный)

Тиристор является вентилем управляемым. Кроме анода и катода, он имеет третий вывод (управляющий электрод УЭ на рис. 2). Он также проводит ток только в одном направлении (от анода к катоду). Для его отрывания необходимо выполнить два условия:

• подать на анод положительный потенциал относительно катода (как для диода);
• обеспечить протекание в цепи между управляющим электродом и катодом тока управления i у , направленного как на рис 2а.

Рис. 2. Два состояния тиристора (а – открыт и б – закрыт)

Для обеспечения протекания тока управления используют дополнительный источник напряжения u у . ВВеличина тока управления намного меньше тока между анодом и катодом (то есть силового тока). Если цепь управляющего электрода разомкнуть (как на рис. 2б), ток управления будет отсутствовать, и тиристор не откроется. Графическое обозначение тиристора похоже на обозначение диода, однако имеет третий вывод УЭ. Нумерацию тиристоров на схемах производят с использованием букв VS. Благодаря наличию управляющего электрода тиристор становится управляемым вентилем. Он открывается только тогда, когда будет выполнено на только первое условие его открывания, но и второе. Потому ток управления могут подавать не сразу после выполнения первого условия, а несколько позднее. Этот ток подается от специальной системы управления. Долее мы не будем показывать цепь, по которой протекает ток управления.

Рис. 3. Диоды

Тиристор имеет одну особенность: он открывается при помощи управляющего электрода, но закрывается только тогда, когда ток между анодом и катодом исчезнет. Добиться этого с помощью управляющего электрода невозможно. Поэтому тиристор иногда вентилем. называют полууправляемым вентилем.

Конструкция диодов малой мощности показана на рис. 3. У верхнего диода (более мощного, чем нижние) катод расположен слева. Внизу изображен диодный мостик (о них ниже).

Более мощные диоды и тиристоры изображены на рис. 4. Катод обычно имеет резьбу, которой крепится на охладителе, анод – гибкий вывод. Охладители (рис. 5), отводя тепло от вентиля, предотвращают их перегрев. Наиболее мощные приборы имеют таблеточную конструкцию (см. нижнюю часть рис. 4), которая обеспечивает отвод тепла наружу от обоих торцов (справа на рис. 5).

Простейший выпрямитель

ВВыпрямитель (рис. 6а) питается от источника знакопеременного (обычно синусоидального) напряжения u . Он состоит только из одного диода. Будем считать, что нагрузка выпрямителя – потребитель с чисто активным внутренним сопротивлением (R ). Ток, протекающий через нагрузку, и приложенное к ней напряжение обозначены на рис. 6б индексами d (от англ. Direct – постоянный). Диод открыт только тогда, когда к аноду приложен положительный потенциал (напряжение источника положительное, первый полупериод на рис. 6б).

Рис. 4. Мощные диоды и тиристоры

Рис. 5. Тиристоры с охладителями

Рис. 6. Процессы в простейшем выпрямителе

К нагрузке через открытый диод подается напряжение от источника. Ток, протекающий по цепи «источник u – диод – нагрузка» при чисто активной нагрузке повторяет по форме напряжение: . Поэтому со снижением напряжения до нуля исчезает и ток, а диод закрывается. На следующем полупериоде, когда напряжение источника отрицательно, ток отсутствует, напряжение на нагрузке равняется нулю. После того, как напряжение источника снова станет положительным, открывается диод, и к нагрузке снова прикладывается напряжение. Таким образом, благодаря выпрямителю напряжение на нагрузке (выпрямленное напряжение u d ) содержит в себе только положительные полупериоды напряжения u , а выпрямленный ток повторяет по форме выпрямленное напряжение. В нижней части рис. 6б изображена диаграмма работы диода (черная линия показывает интервалы времени, когда диод открыт).

Только что рассмотренная схема используется только для питания потребителей малой мощности. Более распространена мостовая схема (рис. 7а).

Рис. 7. Мостовой выпрямитель

В ее состав входят четыре диода, работающие попарно-поочередно. На первом полупериоде питающего напряжения (правая клемма источника имеет положительный потенциал) открыты диоды VD1 и VD4 , образуется путь протекания тока, изображенный на рис. 7б. К нагрузке прикладывается положительное напряжение. На втором полупериоде открыты VD2 та VD3 , а ток протекает, как показано на рис. 7в (в нагрузке – в прежнем направлении). К нагрузке вновь приложено положительное напряжение. Выпрямленные напряжение и ток во времени изменяются согласно рис. 7г. Поскольку оба полупериода напряжения питания являются рабочими, среднее значение выпрямленного напряжения вдвое больше по сравнению со схемой рис. 6а. Мостовые выпрямители небольшой мощности выпускают в виде т.н. «диодных мостиков» (снизу на рис. 3).

Если необходимо не только формировать на нагрузке знакопостоянное напряжение, но и изменять при необходимости ее среднее значение (для регулирования сварочного тока, скорости электродвигателя), вместо диодов в выпрямителях используют тиристоры (рис. 8а). Если тиристоры получают в цепь управления управляющий сигнал сразу же после того, как напряжение их анодах становится положительным, тиристоры работают также, как и диоды, и процессы в схеме ничем не отличаются от рассмотренных ранее. Если же задержать подачу тока управления, открывание тиристоров происходит позднее (на рис. 8б – по окончании времени задержки t з ). Пока тиристоры закрыты, ток отсутствует, и напряжение к нагрузке не прикладывается. Из кривой выпрямленного напряжения «вырезается» определенный участок, и среднее значение напряжения уменьшается. Увеличение задержки t з приводит к дальнейшему уменьшению среднего выпрямленного напряжения.

Рис. 8. Тиристорный мостовой выпрямитель

Тиристорные выпрямители используются в электроприводах постоянного тока для питания обмоток якоря и возбуждения электродвигателей постоянного тока. На рис. 9 показан внешний вид подобного электропривода. Кроме собственно выпрямителя, в его состав входят микропроцессорные системы управления вентилями, скоростью и моментом электродвигателя, дисплей и пульт управления для диалога с пользователем, а также дополнительные элементы, обеспечивающие функционирование электропривода. Выпрямители большой мощности размещаются в электрических шкафах (рис. 10).

Рис. 9. Современный электропривод постоянного тока на базе тиристорного выпрямителя

Рис. 10. Мощный выпрямитель