- Для чего нужен выпрямитель в электротехнике
- Описание
- Классификация по назначению и устройству
- Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)
- Два четвертьмоста параллельно
- Два полных моста последовательно
- Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема
- Три полных моста параллельно (12 диодов)
- Три полных моста последовательно
- Трехфазная схема выпрямления
- Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)
- Модификации с гальванической развязкой
- Основные соотношения для выпрямителя
- Средний ток диодов
- Наибольшее обратное напряжение на диоде
- Принципы работы выпрямителей
- Типовые схемы выпрямителей
- Однофазные выпрямители
- Трёхфазные выпрямители
- Выпрямители с умножением напряжения
- Подведем итоги
Для чего нужен выпрямитель в электротехнике
Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко используется, и наиболее важными областями применения выпрямителей в радио- и электротехнике являются:
- выработка постоянного тока для электроэнергетических установок (тяговых станций, электролизных установок, систем возбуждения синхронных генераторов) и мощных двигателей постоянного тока;
- блоки питания для электронных устройств;
- обнаружение модулированных радиосигналов;
- формирование постоянного напряжения, пропорционального уровню входного сигнала, для построения систем автоматической регулировки усиления.
Полный ассортимент выпрямителей обширен и его невозможно перечислить в рамках одного обзора.
Описание
Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока, при этом полуволновые или двухволновые выпрямители обычно реализуются на полупроводниковых диодах.
Диоды позволяют переменному току течь через них в прямом направлении, блокируя ток в обратном направлении, создавая постоянный уровень постоянного напряжения, что делает их идеальными для выпрямления.
Однако постоянный ток, выпрямленный диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет колебания напряжения в виде пульсаций, наложенных в результате подачи переменного тока.
Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма волны переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.
Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень поворота формы волны вдоль оси абсцисс, которую генератор повернул от 0 до 360 o .
Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, необходимый для завершения полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Связь между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .
Второе число указывает амплитуду значения тока или напряжения по оси Y. Это число дает мгновенное значение от нуля до некоторого пикового или максимального значения (A MAX , V MAX или I MAX), которое указывает наибольшую амплитуду синусоидальных волн, прежде чем она снова вернется к нулю.
Для синусоидального сигнала существует два максимальных или пиковых значения: одно для положительных и одно для отрицательных полупериодов.
Но помимо этих двух значений есть еще два, которые нам интересно исправить. Один представляет собой среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы волны получается путем сложения мгновенных значений напряжения (или тока) за полпериода и находится как: 0,6365 * VP. Обратите внимание, что среднее значение за весь цикл симметричной синусоиды равно нулю.
Среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоиды) обеспечивает то же количество энергии для резистора, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратичное значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V P.
Классификация по назначению и устройству
Новые электрогенераторы
Выпрямители переменного тока делятся на несколько различных типов в зависимости от характеристик, использования периодов переменного тока, схем, количества фаз и типа передающего элемента. В целом классификация выглядит следующим образом:
- По количеству задействованных в работе периодов (один и два полупериода, а также с полным и неполным использованием волны);
- По типу устройства делятся на включающие в себя электронный мост, умножающий напряжение, с наличием или отсутствием трансформаторов;
- По количеству фаз они делятся на однофазные, двухфазные, трехфазные и N-фазные;
- По типу устройства, пропускающего синусоиду, делятся на полупроводниковые диодные и тиристорные, механические и вакуумные, ртутные;
- По типу передаваемой волны они делятся на импульсные, аналоговые и цифровые.
Однополупериодный выпрямитель (четвертьмост)
Это простейшее устройство, которое преобразует сигнал переменного тока в постоянный. Это выравнивает уровень сигнала. Схема построена на одном полупроводниковом вентиле (диоде). В промышленности используется редко, так как питание автоматики и оборудования требует добавления в цепь питания фильтров, сглаживающих полуволны.
Поэтому габариты и вес устройств на основе этого выпрямителя слишком значительны. Не подходит для электрического тока с промышленной частотой сигнала 50-60 Гц.
Такая схема выпрямителя используется для переключения источников питания. Необходим для вычислительной техники и с высокой частотой сигнала — около 10 Герц. Он также используется в промышленности для выпрямления высокочастотного тока.
Устройство имеет следующие преимущества:
- Высокочастотная пульсация;
- повышенная нагрузка на правильное устройство;
- Износ трансформатора из-за намагничивания;
- Низкое соотношение между размером и эффектом.
Преимущество — дешевизна.
Однополупериодные выпрямители
Два четвертьмоста параллельно
Эта схема состоит из двух четвертьмостов одного периода, работающих независимо друг от друга, на одинаковую мощность. Принцип работы заключается в распараллеливании полуволны на 2 части. На первом временном интервале это происходит в одной половине, затем в части цепи.
Два полных моста последовательно
Это двухфазная схема, включающая два последовательно включенных диодных моста. В этом случае электродвижущая сила в два раза больше, чем у однофазного полного моста. Относительное сопротивление увеличивается в 4 раза.
Двухполупериодный выпрямитель, мостовая схема
В таком устройстве диодные мосты подключены ко вторичной обмотке преобразователя. Полупроводниковые элементы работают парами, каждый со своей последовательностью, пропуская только положительную или отрицательную полуволну. Таким образом, частота выпрямляемых колебаний мощности в два раза превышает частоту тока в сети.
Три полных моста параллельно (12 диодов)
Это менее распространенная схема, состоящая из 12 диодов, соединенных параллельно. По большинству характеристик он значительно превосходит другие выпрямители напряжения. При прохождении электрического тока по всей цепи выходное напряжение выходит без пульсаций.
Три полных моста последовательно
Последовательная схема с двенадцатью диодами представляет собой выпрямитель трехфазного тока. Сопротивление в нем соответствует трем диодным мостам, в каждом из которых уровень сопротивления равен 3R.
Таким образом, общий уровень помех движению заряженных частиц примерно равен 9R. При этом частота колебаний в 6 раз выше аналогичной от входящего сигнала. Достоинством такого выпрямителя является наибольшая средняя ЭДС, поэтому его часто применяют в источниках питания с высоким выходным напряжением.
Трехфазная схема выпрямления
Достаточно распространены устройства с тремя входящими фазами. Они перехватывают часть волны, за счет этого значительно снижают вибрации. Наиболее популярны трехдиодная схема Миткевича и шестидиодная схема Ларионова.
Три двухфазных двухчетвертьмостовых параллельных выпрямителей Миткевича последовательно (6 диодов)
Такое расположение часто называют шестифазным. По своим характеристикам он аналогичен выпрямителю, состоящему из трех полных диодных блоков, соединенных последовательно. Однако в этой схеме уровень эквивалентного сопротивления значительно увеличен. Последовательная цепь состоит из 6 диодов и резистора, поэтому относительный ток через каждый из проводящих элементов в два раза больше.
Модификации с гальванической развязкой
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.
Основные соотношения для выпрямителя
Выведем несколько важных формул, описывающих процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданные значения являются средними значениями напряжения нагрузки Uд и среднего значения тока в ней Iд.
Средний ток диодов
Как мы уже видели, диоды работают по очереди — каждый из них проводит в среднем половину всего тока в нагрузке. Следовательно, каждый из диодов должен быть рассчитан на ток Iv = Id/2
Наибольшее обратное напряжение на диоде
Пока диод В1 проводит, его можно считать закрытым, и тогда напряжение вторичной обмотки будет приложено к диоду В2 в обратном направлении. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на свое амплитудное значение:
Принципы работы выпрямителей
Работа выпрямителей основана на свойстве односторонней проводимости элементов. Вы можете сделать это разными способами. Ушли в прошлое многие способы промышленного применения, такие как использование механических синхронных машин или электровакуумных устройств. Сейчас используются вентили, проводящие ток в одном направлении.
Не так давно для мощных выпрямителей использовались ртутные приборы. На данный момент их практически вытеснили полупроводниковые элементы (кремний.
Типовые схемы выпрямителей
Выпрямительное устройство может быть построено по разным принципам. При анализе схем устройств необходимо помнить, что постоянное напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условным.
Этот узел выдает пульсирующее постоянное напряжение, которое в большинстве случаев необходимо сглаживать фильтрами. Некоторым потребителям также требуется стабилизация выпрямленного напряжения.
Однофазные выпрямители
Простейший выпрямитель переменного напряжения представляет собой одиночный диод.
Он направляет положительные полуволны синусоиды к потребителю и «отсекает» отрицательные.
Область применения такого устройства невелика — в основном это выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя он производит электричество, которое течет в одном направлении, он имеет существенные недостатки:
- высокий уровень пульсаций – для сглаживания и достижения постоянного тока нужен большой и громоздкий конденсатор;
- неполное использование мощности понижающего трансформатора (или повышающего трансформатора), что приводит к увеличению необходимых массогабаритных показателей;
- средняя ЭДС на выходе меньше половины подаваемой ЭДС;
- повышенные требования к диоду (с другой стороны требуется только один вентиль).
Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.
Здесь ток протекает через нагрузку дважды за период в одном направлении:
- положительная полуволна по пути, указанному красными стрелками;
- отрицательная полуволна вдоль пути, указанного зелеными стрелками.
Отрицательная волна не исчезает, но тоже используется, поэтому мощность входного трансформатора используется более полно.
Средняя ЭДС вдвое больше, чем у полуволнового варианта. Форма пульсаций тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же требуется. Его мощность и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций в два раза превышает частоту сетевого напряжения.
Если это трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно, или с обмоткой, имеющей потери от центра, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.
Этот вариант фактически представляет собой двойную схему однополупериодного выпрямителя, но имеет все преимущества двухполупериодного выпрямителя. Недостатком является необходимость использования трансформатора определенной конструкции.
Если трансформатор изготовлен в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку как надо, но нужно использовать железо чуть большего размера. Но вместо 4-х диодов используются только 2. Это позволит компенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.
Если выпрямитель рассчитан на большой ток, а вентили необходимо устанавливать на радиаторы, установка вдвое меньшего количества диодов обеспечивает значительную экономию. Также следует учитывать, что такой выпрямитель имеет вдвое большее внутреннее сопротивление по сравнению с собранным по мостовой схеме, поэтому нагрев обмоток трансформатора и связанные с этим потери также будут выше.
Читайте также: Сколько потребляет холодильник электроэнергии в час — калькулятор среднего расчета потребления кВт
Трёхфазные выпрямители
От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранному по аналогичному принципу.
Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой, уровень пульсаций составляет всего 14%, а частота равна трехкратной частоте сетевого напряжения.
И все же источником этой схемы является однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки невозможно преодолеть даже с трехфазным источником напряжения. Основной из них является неполное использование мощности трансформатора, а средняя ЭДС равна 1,17⋅Е2эфф (действующее значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора)
Лучшими параметрами обладает трехфазная мостовая схема.
Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения те же 14%, а частота равна шестигранной частоте входного переменного напряжения, поэтому емкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет в два раза выше, чем в предыдущей схеме.
Этот выпрямитель используется с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку звезды, но тот же клапанный узел будет гораздо менее эффективным при использовании с трансформатором, выход которого соединен треугольником».
Выпрямители с умножением напряжения
Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно входному напряжению. Например, есть схемы с удвоением напряжения:
Здесь конденсатор С1 заряжается в течение отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком данной конструкции является малая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 имеет менее чем удвоенное значение напряжения.
Поэтому такая схема используется в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, как измерительный элемент в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.
В электротехнике и силовой электронике используется другой вариант схемы удвоения.
Дублер, собранный по схеме Латура, имеет большую грузоподъемность. Каждый из конденсаторов находится под входным напряжением, поэтому по массе и размерам этот вариант также превосходит предыдущий. Во время положительного полупериода заряжается конденсатор С1, во время отрицательного — С2.
Конденсаторы соединены последовательно, а по отношению к нагрузке — параллельно, так что напряжение на нагрузке равно сумме напряжений заряженных конденсаторов. Частота пульсаций равна удвоенной частоте сетевого напряжения, а ее величина зависит от величины емкостей. Чем они больше, тем меньше пульсация. И здесь необходимо найти разумный компромисс.
Недостатком схемы является запрет на заземление одного из выводов нагрузки — один из диодов или конденсаторов в этом случае будет закорочен.
Эта схема может быть каскадирована любое количество раз. Так повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверенным напряжением и т.д.
Первый конденсатор в цепи должен выдерживать напряжение источника питания, остальные — удвоенное напряжение питания. Все клапаны должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.
Если подходящих диодов нет, их можно соединить последовательно — в этом случае максимально допустимое напряжение увеличится в разы. Но параллельно каждому диоду должны быть подключены выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, так как в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может неравномерно распределяться между диодами.
Результатом может быть превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепи зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), обратное напряжение будет распределяться точно так же.
Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае влияние дополнительных элементов на работу схемы будет сведено к минимуму.
Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли нужно, токи здесь небольшие. Но это может быть полезно в других схемах выпрямителя, где нагрузка потребляет значительный ток. Параллельное включение многократно увеличивает допустимый ток через вентиль, но отклонение параметра все портит.
В результате диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы избежать этого, последовательно с каждым диодом ставится резистор.
Величину сопротивления выбирают таким образом, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нем составляло 1 вольт. Так, при токе 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Ток в этом случае должен быть не менее 1 Вт.
Теоретически диапазон напряжения можно увеличивать до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждой дополнительной ступенью. В результате можно попасть в ситуацию, когда падение напряжения на нагрузке превышает коэффициент умножения и делает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток присущ всем подобным устройствам.
Такие умножители напряжения часто изготавливаются в виде единого модуля с хорошей изоляцией. Подобные устройства применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора.
Схемы удвоения с использованием дросселей также известны, но распространения они не получили — детали обмотки сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.
Схем выпрямителей много. Учитывая широкую область применения этого узла, важно подходить к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.
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.