Что такое выпрямитель напряжения: виды и устройство

Для чего нужен выпрямитель в электротехнике

Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство получило широкое распространение, и основные области применения выпрямительных устройств в радио- и электротехнике:

• формирование пастонного тока для силовых электроустановок (тяговых подстанций, электролизных установок, систем возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
• источники питания для электронных устройств;
• обнаружение модулированных радиосигналов;
• установка пастонного программного обеспечения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения системы автоматической регулировки усиления.

Полная сфера применения выпрямителей обширна, и ее невозможно перечислить в рамках одного обзора.

Преимущества применения

Использование выпрямителей выгодно пользователям по следующим причинам:

• Задаются необходимые основные параметры выходного напряжения.
• Повышается качество поступающей электроэнергии.
• Поддерживается высокий коэффициент полезного использования оборудования.
• Нижается пульсация напряжения.
• Выпрямительное устройство может применяться для однофазной или трехфазной сети в зависимости от его конструктивной схемы.
• Высокая эффективность преобразовательных устройств сочетается с компактностью и относительно небольшим весом. В некоторых моделях даже предусмотрена возможность дистанционного управления.
• Выпрямитель в большинстве случаев имеет незначительное реактивное сопротивление.

Однофазные выпрямители

Существуют разные схемы выпрямителей. Они отличаются эффективностью и экономичностью в зависимости от принципа работы выпрямителя.

Диодное устройство

Когда говорят о преобразовании переменного напряжения в постоянное, обычно не имеют в виду, что выход будет выражен горизонтальной прямой линией. Качество обработки сигнала может варьироваться в зависимости от типа используемого устройства и принципа работы этого устройства.

Гарантируется только то, что выходное выпрямленное напряжение будет иметь один знак. Самый простой способ преобразования — использование схемы, состоящей из диода и нагрузки.

Типы диодных выпрямителей работают следующим образом: переменное напряжение подается на выводы слева. Диод пропускает только положительные импульсы. При наличии отрицательных значений на выходе появляется нулевое значение. В результате создается напряжение одного знака. Графика представлена ​​далее.

Выпрямитель с диодом называется простым, но используется редко, так как имеет явные недостатки. Здесь теряется больше половины энергии, а выходное напряжение резко меняется, что недопустимо для некоторых электроприборов.

Однополупериодный выпрямитель

Схема выпрямителя с конденсатором также считается одной из самых простых. Это выглядит так:

Как видно на схеме, выпрямитель переменного тока с конденсатором снабжен еще и трансформатором, позволяющим получить необходимое напряжение. На этой стадии он остается вариабельным, но меняет амплитуду. Выпрямляющее действие основано на работе диода и конденсатора. На крышку конденсатора попадают только положительные синусоиды полупериода, так как отрицательные через диод не проходят.

На верхнем графике показано синусоидальное напряжение, поступающее на выпрямитель в представленной схеме. Ниже показано, каким будет это напряжение в результате прохождения через диод.

Заряд на крышках конденсатора увеличивается при повышении напряжения. При снижении до нуля начинает течь, компенсируя скачки. На выходе подается постоянное напряжение. В схеме для этой цели используется электролитический конденсатор большой емкости. Считается, что лучшие преобразователи для бытовой техники должны иметь емкость не менее 2200 мкФ.

Сфера применения выпрямителей

В различных схемах выпрямители переменного напряжения применяются в следующих областях:

• в железнодорожном сообщении, городском и пригородном электротранспорте для подачи тока в контактные сети трамваев, метро, ​​троллейбусов, электровозов;
• на генераторных установках электростаний для инициирования выработки тока;
• в химическом производстве на электротических установках для электрохимического производства металлов, а также в производстве челочей, хлора, чистого алюминия;
• на металлургических комбинатах для питания силовых установок станов металлопроката;
• в альтернативной энергетике для повышения эффективности солнечных батарей, беспроводной передачи электроэнергии, для решения других специфических задач в промышленности.

Миниатюрные токовые выпрямители напряжения встраиваются в схемы питания бытовой техники, в том числе электронной и радиоаппаратуры. Такие устройства входят в состав бытовых адаптеров.

Принцип работы выпрямителей

В основе работы выпрямителей внежность – производство полупроводников. Эти вещества обладают средней способностью проводить ток, которая, однако, увеличивается при повышении температуры рабочей среды.

Одним из их свойств является прохождение электронов строго от анода (отрицательного полюса) к катоду (положительному). Переменный ток представляет собой синусоидальные волны, половина которых находится в положительной области, а другая половина в отрицательной.

Благодаря описанному свойству выпрямитель напряжения отсекает отрицательную часть волны, уменьшая интервал ее колебаний и время прохождения через устройство. Таким образом получается пульсирующий ток, который ближе к постоянному, чем к переменному току.

При этом отрицательную полуволну можно инвертировать, то есть превратить в положительную. Этот процесс обеспечивается конструкцией выпрямителя напряжения, который состоит из четырех вентилей и называется мостом.

Технические параметры выпрямителей

Это оборудование описывается следующими основными техническими характеристиками:

• Мощность. Он определяет пределы допустимой нагрузки на устройство. Его рассчитывают, прибавив нормативную мощность подключенных к сети электроприборов и прибавив еще 30%. Единицы измерения – вольт-ампер или ватт. 1 ватт равен от 0,7 до 1 вольт-ампера.
• Фазность Это количество фаз в сети, к которой подключено стабилизирующее устройство. Однофазные выпрямители предназначены только для сетей с напряжением 220 вольт (В), трехфазные выпрямители могут подключаться к системам любой фазы, с напряжением 220 или 380 В.
• Входное напряжение. Это значение интервала, в пределах которого устройство способно стабилизировать ток. Диапазон составляет приблизительно от 50 до 120 % номинального напряжения. Например, при 220 вольт интервал будет от 130 до 270 вольт, при 380 — от 200 до 450.
• Скорость стабилизации. Другое название – быстродействие. Это время в миллисекундах необходимо для нейтрализации перенапряжения. Чем быстрее прибор преобразует ток из переменного в постоянный, тем надежнее, безопаснее и эффективнее он работает.
• Точность стабилизации. Это допустимая погрешность, то есть разница между номинальным значением выходного напряжения и реальным. В идеале она стремится к нулю, но на практике с хорошей точностью считают разницу в 10%, очень хорошей — 7%, отличной — 2 %.

В практическом плане при выборе стабилизаторов напряжения необходимо учитывать такие параметры, как размеры, масса, средства индикации (чаще всего — световые) и элементы управления. Для больших моделей важен и способ установки (напольный, подвесной или стоячий).

Основные критерии классификации

Для систематизации выпрямителей напряжения используются разные критерии. Комбинированные классификации основаны на следующих пяти наиболее важных параметрах:

• количество периодов, включаемых в работу колебаний синусоид переменного тока (одно- и двухполупериодные модели с полным или частичным использованием электрических волн);
• количество фаз (основные типы – одно- и трехфазные, описанные выше; реже используются двухфазные и N-фазные конструкции, предполагающие неограниченное количество фаз);
• принципиальный тип устройства (выпрямители с включением электронного моста, с умножением напряжения, а также модели с трансформаторами или без них);
• тип элемента, пропускающего синусоидальную электрическую волну (ртутные, вакуумные, механические, тиристорные и диодные полупроводниковые конструкции);
• тип передаваемой волны (существуют импульсные, аналоговые и цифровые преобразователи).

К перечисленным разновидностям выпрямителей напряжения относятся наиболее распространенные схемы, описанные ниже.

Одиночный четвертьмост

Более правильное название – однополупериодный выпрамитель. Самый простой вариант основан на одном полупроводниковом вентиле, в качестве диода. Погрешность стабилизации тока более 10%, поэтому их необходимо дополнить фильтрами для сглаживания пульсирующего тока до постоянного.

По этой причине цепь слишком сложна и требует большей мощности, поэтому такие модели редко используются в промышленности. Зато они удобны для компьютерной техники с частотой синусоидальной частоты 10 герц. Другие минусы – малая мощность, постепенное намагничивание в процессе работы, частые пульсации. Главный плюс – дешевизна.

Читайте также: Делитель напряжения

Два четвертьмоста параллельно

Такая схема выпрямителей напряжения представляет собой простое механическое усложнение предыдущей. Для ее сборки берут два четвертьмоста с одинаковыми характеристиками (временем прохождения волны, пачистю и так далее). Они соединены в цепочку так, что положительная полуволна делится на две части, каждая из которых проходит через одну из пар четвертьмостов одновременно.

Таким образом, скорость стабилизации переменного тока увеличивается, а его погрешность уменьшается примерно на 30-40 %, так как частота пульсации половины полуволны, разумеется, ниже, чем у всей полуволна. Но основные недостатки четвертьмоста здесь остаются.

Два полных моста последовательно

Это относительно редкая схема двухфазного выпрямителя напряжения. Он включает в себя два полных диодных моста, каждый из которых состоит из четырех силовых диодов. Один мост может быть анодным и пропускать положительную полуволну переменного тока, другой — катодным, через него будет проходить отрицательность половины синусоиды.

Мосты соединены параллельно, так что обе части волны проходят одновременно. При этом каждая из половин делится на четыре потока, каждый из которых пульсирует значительно слабее. Объемное электрическое контурия при такой конструкции увеличивается в четыре раза, а также уменьшается пульсация тока на выходе из системы.

Мостовая схема

Это конструкция двухполупериодного выпрямителя напряжения. Он состоит из трансформатора и двух диодов, что позволяет электричеству течь в течение обеих частей цикла переменного тока. То есть одна полуволна идет через один диод, в то же время другая — через другой, при этом положительная часть синусоиды течет через один полупроводниковый элемент, а отрицательная — по другому.

Такая система позволяет вдвое уменьшить амплитуду колебаний переменного тока. Технически это достигается подключением диодов к вторичной обмотке трансформатора, при этом обмотка имеет центральный вывод и обеспечивает высокое сопротивление входящему току.

Схема из 12 диодов

Еще одна разновидность параллельных схем выпрямителей электрического напряжения. Такая конфигурация достаточно необычна, поэтому распространена меньше, чем другие виды контуров. Двенадцать одиночных диодов включены в цепь параллельно, а это значит, что полупериодная синусоида переменного тока, поступающего в сеть, делится на 6 или 12 параллельных токов.

На 6 – если конструкция позволяет инвертировать отрицательную полуволну, на 12 – если отрицательная полуволна просто обрезана. В результате полуволновые колебания, прошедшие через цепь, стремятся к нулю, а на выходе получается постоянный ток с минимальными пульсациями или вообще без них.

Три полных моста последовательно

Это еще один вариант трехфазной последовательной схемы выпрямителя напряжения. Он состоит из 12 диодов, сгруппированных в три полных моста по четыре диода в каждом. Преимущества такой конструкции в том, что общий уровень сопротивления в системе в девять раз превышает значение этого параметра для отдельного одиночного диода.

Сопротивление на каждом мосту в три раза больше, чем на каждом диоде. Это позволяет уменьшить амплитуду колебаний набегающей волны, чтобы дальнейшие усилия по нормализации пульсирующего тока были минимальными. Устройство вырабатывает ток большой мощности и напряжения, что немаловажно для мощных электрогенераторов.

Схема Ларионова

Это трехфазная мостовая схема выпрямителя тока, разработанная советским профессором А. Н. Ларионов в 1924 году. Он состоит из шести диодов и нормализует положительные полуволны, инвертируя и стабилизируя отрицательные части синусоиды переменного тока. Шесть диодов объединены в мост и две трехфазные группы: нижний катод и верхний анод.

Отрицательный ток идет на катодную группу, положительный – на анодную. Каждая полуволна делится на три потока, поэтому пульсация на выходе из цепи значительно снижается, иногда даже до нуля, то есть до идеального постоянного тока. При этом трансформатор в процессе работы не намагничивается.

Схема Миткевича

Более ранний вариант трехфазной мостовой схемы выпрямителя напряжения был предложен в 1901 году русским, а затем советским профессором В. Ф. Миткевичем. В простейшем варианте он состоит из трех четвертьмостов (то есть одиночных силовых диодов), включенных параллельно.

В основном он представляет собой половину схемы Ларионова и работает, как правило, с положительной полуволной, просто отсекая отрицательную. Положительная часть синусоиды делится на три потока, что, естественно, снижает пульсацию, хотя и не убирает ее полностью — мелкие фильтры все равно нужны. Диоды подключаются к цепи через вторичную обмотку трехфазного трансформатора.

Модификации с гальванической развязкой

Асинхронный генератор

В схему могут быть добавлены накопительные элементы для улучшения выходных характеристик. Использование конденсаторов и аккумуляторов позволит однопериодному выпрямителю во время отрицательной полуволны продолжать выдавать выходное напряжение, накопившееся за время положительной полуволны.

Кроме того, накопление мощности на конденсаторе приводит к уменьшению максимального напряжения полуволны на выходе. Подобные схемы часто используются в усилителях.

Как происходит выпрямление переменного тока

Воздействие на полуволны осуществляется за счет использования свойств полупроводников или механических вентилей. Из-за PN-перехода диод пропускает ток только в том случае, если напряжение на аноде выше, чем на катоде.

Поэтому при прохождении через полупроводниковый элемент остается только положительная полуволна. При использовании диодных мостов каждый элемент работает попарно, выдавая положительное и отрицательное напряжение отдельно.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Средний показатель сглаженного напряжения для выпрямителя рассчитывается по формуле:

Формула

В простых полупериодных схемах, которые построены на одном диоде (четверть моста), значение примерно равно 0,45 входного напряжения в вольтах.

Для чего постоянный ток

Переменный ток не подходит для некоторых задач. Аккумуляторные батареи можно заряжать только постоянным током. То же самое очень электролизных установком. Это также требуется для работы осветительных приборов и большинства компактных устройств: компьютеров и телефонов.

Основные соотношения для выпрямителя

Основные параметры выпрямителя выбираются в момент времени. Расчет результатов по образной ноябрь:

Соотношения для выпрамителя

Где:

• Um – параметр, соответствующий колебаниям синусоид переменного тока;
• U – текущее значение синусоидального напряжения;
• U2 – текущая величина мощности в обмотке трансформатора;
• Ud – средний показатель выпрямленной мощности;
• Uдо – постоянная, отвечающая за постоянное плавное напряжение без подачи питания.

Средний ток диодов

Полупроводниковые радиоэлементы обладают выпрямляющими свойствами. Поэтому важнейшей их характеристикой считается средний ток. Это значение представляет собой усредненное значение при работе сглаженного постоянного тока через полупроводниковый период. В вентилях выпрямительного типа значение может достигать от сотых долей до 100 и выше Ампер.

Дополнительные сведения

Иногда схемы выпрямителей напряжения дополняют гальваническими разъединителями, в состав которых входят накопительные элементы для накопления энергии. Такая модификация улучшает характеристики тока на выходе стабилизатора: накопленная мощность позволяет частично уменьшить колебания пульсирующего тока.

Кроме того, подача выпрямленного тока становится непрерывной: если модель не инвертирует отрицательную полуволну, то при ее прохождении выходной ток отсутствует.

А использование гальванических переходов с батареями и конденсаторами позволяет отдавать выходной ток во время простоя, накопленный за время прохождения положительной полуволны. Длительность таких периодов составляет миллисекунды, но для блока питания это значительные временные интервалы.

Описанная схема выпрямителя актуальна для усилителей напряжения, в которых важно отсутствие подобных технологических холостых оборотов.