Что собой представляет выпрямитель
Блок-схема этого устройства выглядит так:
Сначала на трансформатор Tr подается электрический переменный ток. Преобразование в постоянный ток происходит в цепи выпрямителя В, образованной диодами, соединенными особым образом. Следует отметить, что правильнее говорить не о получении постоянного тока, а только о протекающем в одном направлении и имеющем пульсирующий характер.
Как правило, пульсирующий электрический ток не имеет постоянной величины ни в какое время. Поэтому для его сглаживания используются F-фильтры. В случае необходимости поддержания на постоянном уровне параметров электросети, изменяющихся по разным причинам, схему выпрямителя дополняют стабилизатором напряжения или тока St.
Последним элементом блок-схемы является нагрузка H. Она оказывает существенное влияние на работу всего инвертора, поэтому считается одной из основных составляющих этого узла. Сам выпрямитель является частью структурной схемы, обведенной на рисунке пунктирной линией.
Выпрямитель с удвоением напряжения.
Принцип действия удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочередном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 полуволнами разной полярности входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом другого диода возникает напряжение, вдвое превышающее входное напряжение. Макет в студию:)
Следует отметить, что данная схема используется в блоках питания редко. Но его можно смело использовать, если необходимо удвоить напряжение, снимаемое со вторичной обмотки трансформатора.
Это будет более логичным и правильным решением, чем перемотка вторичной обмотки трансформатора для увеличения выходного напряжения вторичной обмотки в 2 раза (ведь для этого придется намотать вторичную обмотку на удвоенное количество витков). Так что если вы не смогли найти подходящий трансформатор, смело используйте эту схему.
Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.
Умножитель напряжения.
Каждый диод и конденсатор образуют «звено», и эти звенья могут быть соединены последовательно, пока не будет достигнуто напряжение в несколько десятков киловольт. Для этого, разумеется, входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.
На рисунке показан четырехчленный умножитель, и на выходе мы получаем напряжение, в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители широко используются там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по этой схеме делали высоковольтные источники в старых телевизорах и осциллографах для возбуждения анода электронно-лучевой трубки.
Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской технике (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении таких конструкций и подборе деталей следует учитывать рабочее напряжение как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить.
Весь умножитель обычно заливают специальным компаундом или эпоксидной смолой, чтобы избежать высоковольтных пробоев между элементами схемы.
Для нормальной работы некоторых приборов, например люстр Чижевского, требуются достаточно высокие напряжения. По мнению специалистов, излучатель отрицательных аэроионов эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.
Трёхфазные выпрямители.
Устройства, используемые для получения постоянного тока из трехфазного переменного тока, называются трехфазными выпрямителями. Трехфазные выпрямители в бытовой технике естественно не применяются. Единственный прибор, который можно использовать в быту, это сварочный аппарат. В качестве трехфазных выпрямителей используются разработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова.
Простейшая схема Миткевича называется «мост на три четверти параллельно», что означает три токовых диода, включенных параллельно через вторичные обмотки трехфазного трансформатора. Схема.
Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать фильтрующие конденсаторы малой емкости и небольших габаритов.
Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что хорошо видно из рисунка.
В схеме уже используются шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трехфазных выпрямителей много, и самая совершенная, хотя и редко используемая, это схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Но эта схема может производить высокое напряжение при большой мощности.
Трехфазные мощные выпрямители применяются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных электролизных установках. В промышленных системах очистки газовых смесей, буровом и сварочном оборудовании также используются трехфазные выпрямители.
Теперь вы знаете, что такое выпрямители переменного тока и без труда найдете их на принципиальной схеме или монтажной плате любого устройства. А тем, кто хочет узнать больше, рекомендуем прочитать книгу «Полупроводниковые выпрямители».
Однополупериодный преобразователь
Схема классического однополупериодного выпрямителя очень проста. Там только один диод. Так как этот элемент характеризуется односторонней проводимостью, он выдает на выходе пульсирующее электрическое напряжение одной полярности. То есть диод пропускает только половину периода синусоидального тока, поэтому схема, созданная на основе одного диода, называется однополупериодным выпрямителем.
Работа инвертора при наличии низких частот в сети переменного тока (например, при его подключении к стандартной сети 50 Гц) способствует формированию электрического напряжения с большими пульсациями, что нежелательно.
Для уменьшения пульсаций результирующего электрического напряжения необходимо использовать различные индуктивно-емкостные фильтры. В маломощных преобразователях обычно применяют простейшие емкостные фильтры, состоящие из конденсатора, включенного параллельно нагрузке.
Емкость конденсатора должна быть достаточной, чтобы он не успел разрядиться за время, соответствующее половине периода. Поэтому используются радиоэлементы, емкость которых составляет 2000-5000 мкФ. Это значительно увеличивает габариты преобразователей. Ведь электролиты емкостью 2000-5000 мкФ выпускаются больших размеров.
Учитывая эти особенности, на низких частотах однополупериодный простой выпрямитель практически не используется. Но такие преобразователи стали очень полезными при установке в импульсные блоки питания, работающие на частотах 10-15 кГц.
Емкость фильтра на этих частотах обязательно мала, и схема гораздо меньше влияет на качество выпрямления. В качестве примера использования ВУ можно привести зарядное устройство от телефона. Поскольку он обеспечивает низкую мощность, в нем используется полуволновая схема.
Основное преимущество полуволнового преобразователя заключается в простой схеме. Поэтому для создания требуется небольшое количество деталей, что обеспечивает низкую стоимость агрегата. Недостатком является то, что используется энергия только положительных полупериодов входного сигнала. Из-за этого КПД выпрямителя крайне низок.
Управляемое однополупериодное выпрямительное устройство
Схема этого устройства отличается тем, что в нем используется не диод, а тиристор, для управления величиной выходного напряжения. В остальном принцип работы управляемого выпрямителя такой же, как и неуправляемого. Тиристор открывается после прихода на него управляющего импульса, но должно выполняться условие наличия положительного напряжения на аноде радиоэлемента (относительно катода).
Двухполупериодные выпрямители
Преимущества и недостатки полуволновых преобразователей позволяют использовать их в импульсных источниках питания. В обычных широкое применение нашли двухполупериодные выпрямители. Они могут быть двух типов — мостовая схема и выпрямительная с центральной точкой.
Мостовая конструкция требует в два раза больше диодов, но в промежуточном устройстве должен использоваться высокопроизводительный силовой трансформатор. Минусом устройства с центральной точкой называют то, что одинаковое напряжение образуется только при удвоении витков вторичной обмотки трансформатора.
Такая конструкция приводит к значительному увеличению затрат при использовании медного провода. В основном двухполупериодный выпрямитель с центральной точкой используется при питании компьютеров.
Мостовая схема все чаще используется в промышленных и бытовых приборах. На выходе 4 полупроводниковых диода и RC-фильтр. Вместо последнего можно использовать электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций.
Мосты имеют определенные недостатки. Они обусловлены тем, что все полупроводниковые диоды имеют прямое снижение напряжения. У простых выпрямительных диодов оно достигает 1-1,2 В (на разницу влияет тип диода). Когда они установлены в мосту, ок. 2 вольта пропало.
Причина этого процесса в том, что 2 диода производят полуволну переменного тока. В результате часть напряжения, образующегося на вторичной обмотке трансформатора, исчезает на мосту. По этой причине иногда при сборке диодного моста применяют более устойчивые к перепадам диоды Шоттки, где возможно снижение до 0,5 вольта.
Но нужно учитывать, что такие диоды не способны работать при значительном обратном напряжении и плохо реагируют на повышение.
Читайте также: Выбор универсального токарно-винторезного станка
Расчет выпрямителей
При проектировании выпрямителя большое значение имеет расчет параметров, характеризующих его внутренние функции. К ним относятся:
Токи Id ons и id max принято выражать через Iav. Это основной параметр, по которому осуществляется подбор диода.
Формулы для определения основных параметров преобразователей электрического тока выглядят так:
Для оценки пульсаций используется такое понятие, как коэффициент пульсаций. Он определяется по формуле:
Коэффициент пульсаций имеет такое значение в цепях без фильтра. Снизить его можно, установив фильтры различного типа. Самым простым является емкостной фильтр. Параметры конденсатора можно определить по формуле:
При наличии больших токов предпочтительны выпрямители с индуктивным фильтром.
Наиболее эффективного сглаживания пульсаций выходного напряжения можно добиться установкой сложных многосекционных фильтров, в которых используются как конденсаторы, так и катушки индуктивности.
Подведем итоги
- Выпрямление – это преобразование переменного напряжения в постоянное.
- Однополупериодный выпрямитель представляет собой схему, которая позволяет только половине синусоиды переменного напряжения достигать нагрузки, что приводит к необратимой полярности на ней. Результирующее постоянное напряжение, подаваемое на нагрузку, значительно «пульсирует».
- Двухполупериодный выпрямитель представляет собой схему, которая преобразует обе половины периода синусоиды переменного напряжения в непрерывную последовательность импульсов одинаковой полярности. Результирующее постоянное напряжение, подаваемое на нагрузку, не так сильно «пульсирует.
- Многофазное переменное напряжение при выпрямлении обеспечивает более «гладкую» форму постоянного напряжения (меньшее напряжение пульсаций) по сравнению с выпрямленным однофазным напряжением.
