Что такое выпрямитель напряжения: виды и устройство

Сфера применения выпрямителей

В различных схемах выпрямители переменного напряжения применяются в следующих областях:

• на железнодорожном сообщении, электротранспорте в городах и пригородах для питания контактных сетей трамваев, метро, ​​троллейбусов, электровозов;
• на генераторные установки электростанций для начала выработки электроэнергии;
• в химическом производстве на электролитических установках для электрохимического осаждения металлов, а также производстве щелочей, хлора, чистого алюминия;
• на металлургических предприятиях для подачи силовых кабелей на прокатные станы;
• в альтернативной энергетике для повышения эффективности солнечных батарей, беспроводной передачи электроэнергии, для решения других специфических задач отрасли.

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

Принцип работы выпрямителей

Принцип работы выпрямителей напряжения основан на свойствах полупроводников. Это вещества со средней способностью проводить электричество, которая, однако, увеличивается с повышением температуры рабочей среды.

Одним из их свойств является перенос электронов строго от анода (отрицательного полюса) к катоду (положительному). Переменный ток течет синусоидальными волнами, половина которых находится в положительном диапазоне, а другая половина в отрицательном диапазоне.

Выпрямитель напряжения, благодаря описанному свойству, отсекает отрицательную часть волны, уменьшая интервал ее колебаний и время прохождения через устройство. Это приводит к пульсирующему току, который ближе к постоянному, чем к переменному.

При этом отрицательная полуволна может быть инвертирована, т.е превратиться в положительную. Этот процесс обеспечивается конструкцией выпрямителя напряжения, который состоит из четырех вентилей и называется мостом.

Технические параметры выпрямителей

Данное оборудование характеризуется следующими основными техническими характеристиками:

• Мощность. Он определяет пределы допустимой нагрузки на устройство. Он рассчитывается путем сложения нормативных мощностей электроприборов, подключенных к сети, и добавления еще 30%. Единицы измерения – вольт-ампер или ватт. 1 ватт равен от 0,7 до 1 вольт-ампер.
• Фаза. Это количество фаз в сети, к которой подключен стабилизатор. Однофазные выпрямители предназначены только для сетей с напряжением 220 вольт (В), трехфазные 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 примерно от 50 до 120% от номинального напряжения. Например, при 220 вольтах диапазон будет от 130 до 270 вольт, при 380 — от 200 до 450.
• Скорость стабилизации. Другое название — скорость. Это время в миллисекундах, необходимое для нейтрализации поражения электрическим током. Чем быстрее устройство преобразует мощность переменного тока в постоянный, тем надежнее, безопаснее и эффективнее оно 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 разница в 10% считается хорошей точностью, 7% — очень хорошей, а 2% — отличной %.

В практическом плане при выборе стабилизаторов напряжения следует учитывать такие их параметры, как габариты, вес, средства индикации (чаще всего световые) и элементы управления. Для больших моделей также важен способ установки (напольный, настенный или на подставке).

Основные критерии классификации

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

• количество включенных в работу периодов колебаний синусоиды переменного тока (одно- и двухполуволновые модели с полным или частичным использованием электрической волны);
• количество фаз (основные типы — одно- и трехфазные, описанные выше; реже используются двухфазные и N-фазные конструкции, предполагающие неограниченное количество фаз);
• основной тип устройства (выпрямители с электронным мостом, с умножением напряжения, а также модели с трансформаторами и 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 типам выпрямителей напряжения относятся их наиболее распространенные схемы, описанные ниже.

Одиночный четвертьмост

Более правильное название – однополупериодный выпрямитель. Самый простой вариант на основе одного полупроводникового вентиля, представляющего собой диод. Они обеспечивают погрешность стабилизации тока более 10%, поэтому их необходимо дополнять фильтрами для сглаживания пульсирующего тока до постоянного.

По этой причине схема получается слишком сложной и требует большей мощности, поэтому такие модели редко используются в промышленности. Но они практичны для вычислительной техники с частотой синусоид порядка 10 герц. Другими недостатками являются малая мощность, постепенное намагничивание в процессе работы, частая пульсация. Главный плюс – дешевизна.

Два четвертьмоста параллельно

Такая схема выпрямителя напряжения представляет собой простое механическое усложнение предыдущей. Для сборки берут два четвертьмоста с одинаковыми характеристиками (время прохождения волны, мощность и так далее). Они соединены в цепь так, что положительная полуволна делится еще на две части, каждая из которых проходит через один из четвертьмостов пары одновременно.

Таким образом, скорость стабилизации переменного тока увеличивается, а погрешность уменьшается примерно на 30-40%, так как частота пульсаций полуволны конечно ниже, чем у полной полуволны. Но основные недостатки четвертьмостов 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 токовых диодов. Один мост может быть анодом и пропускать положительную половину волны переменного тока, другой может быть катодом, через него будет проходить отрицательная половина синусоиды.

Мосты соединены параллельно, так что обе части волны движутся одновременно. При этом каждая из половин делится на четыре тока, каждый из которых пульсирует значительно слабее. А общее электрическое сопротивление цепи при такой конструкции увеличивается в четыре раза, а также снижается ток на выходе системы.

Мостовая схема

Он предназначен для двухполупериодного выпрямителя напряжения. Он состоит из трансформатора и двух диодов, так что электричество может проходить в течение обеих частей цикла переменного тока. То есть через один диод проходит одна полуволна, в то же время другая — через другой, при этом через один полупроводниковый элемент течет положительная часть синусоиды, а по другому — отрицательная часть.

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

Схема из 12 диодов

Еще один тип схем параллельного выпрямителя напряжения. Эта конфигурация довольно необычная, поэтому встречается реже, чем другие типы схем. Двенадцать одиночных диодов включены в цепь параллельно, а это значит, что полуволна синусоиды переменного тока, поступающая в сеть, делится на 6 или 12 параллельных токов.

При 6 — если конструкция позволяет инвертировать отрицательную полуволну, при 12 — если отрицательная полуволна просто обрывается. В результате колебания полуволны, проходящей через цепь, стремятся к нулю, а на выходе получается постоянный ток с минимальными пульсациями или без них.

Три полных моста последовательно

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

Сопротивление каждого моста в три раза больше сопротивления каждого диода. Это позволяет уменьшить амплитуду колебаний набегающей волны, чтобы дополнительные усилия по нормализации пульсирующего тока были минимальными. Устройство вырабатывает ток большой силы и напряжения, что немаловажно для мощных генераторов.

Читайте также: Подключение выключателя с подсветкой: схема, устройстово, особенности

Модификации с гальванической развязкой

Асинхронный генератор

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

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 с помощью свойств полупроводниковых 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 напряжения отдельно.

Среднее значение выпрямленного напряжения

В простых полуволновых схемах, построенных на одном диоде (четвертьмост), значение составляет примерно 0,45 от входного напряжения в вольтах.

Для чего постоянный ток

Переменный ток не подходит для некоторых применений. Аккумуляторы можно заряжать только постоянным током. То же самое относится и к электролизным установкам. Также он необходим для работы осветительных приборов и самых компактных устройств: компьютеров и телефонов.

Основные соотношения для выпрямителя

Основные параметры выпрямителя выбираются в любой момент. Расчет значений осуществляется по формуле рисунка:

Коэффициент выпрямителя

Где:

• Um – параметр, соответствующий колебаниям синусоиды переменного тока;
• U — текущее значение напряжения на синусоиде;
• U2 – значение тока в обмотке трансформатора;
• Ud — средняя скорректированная мощность;
• Uдо – константа, отвечающая за постоянное сглаженное напряжение без источника питания.

Средний ток диодов

Полупроводниковые радиоэлементы обладают выпрямительными свойствами. Поэтому важнейшей их характеристикой является средний ток. Это значение усреднено по времени работы уравнительного постоянного тока в течение полупроводникового периода. В выпрямительных вентилях значение может достигать от сотых долей до 100 и более ампер.

Схема Ларионова

Это мостовая схема трехфазного выпрямителя, разработанная советским профессором А. Н. Ларионовым в 1924 г. Она состоит из шести диодов и нормализует положительные полуволны, а также инвертирует и стабилизирует отрицательные части синусоид переменного тока. Шесть диодов объединены в мост и две трехфазные группы: нижний катод и верхний анод.

Отрицательный ток протекает через катодную группу, положительный — через анодную. Каждая полуволна делится на три тока, поэтому пульсации на выходе схемы значительно уменьшаются, иногда даже до нуля, то есть до идеального постоянного тока. В этом случае трансформатор не намагничивается во время работы.

Схема Миткевича

Более ранний вариант трехфазной мостовой схемы выпрямителя напряжения был предложен в 1901 году русским, позднее советским профессором В. Ф. Миткевичем. В простейшем виде он состоит из трех четвертьмостов (то есть простых силовых диодов), соединенных параллельно.

По сути, это половина схемы Ларионова и, как правило, работает с положительной полуволной, отсекая только отрицательную. Положительная часть синусоиды делится на три тока, что, естественно, снижает пульсации, хотя и не убирает их полностью — маленькие фильтры все равно нужны. Диоды подключаются к схеме через вторичную обмотку трехфазного трансформатора.

Дополнительные сведения

Иногда схему выпрямителя напряжения дополняют гальванической развязкой, включающей накопительные элементы для накопления энергии. Данная 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, ток на выходе при ее прохождении отсутствует.

А использование гальванической развязки с батареями и конденсаторами позволяет в простое питать выход накопленным током за время прохождения положительной полуволны.

Длительность таких периодов составляет миллисекунды, но для блоков питания это значительные временные интервалы. Описанная схема выпрямителя актуальна для усилителей напряжения, где важно отсутствие подобных технологических простоев.