Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

В маломощных источниках питания (до нескольких сотен ватт) обычно используют однофазные выпрямители. В мощных источниках целесообразно применять трехфазные выпрямители.
Выпрямители имеют следующие основные параметры: а) среднее значение выходного напряжения uвых

Uср= 1/T· T∫0uвыхdt

где Т − период напряжения сети (для промышленной сети − 20 мс);

• среднее значение выходного тока iвыx и Iср= 1/T· T∫0iвыхdt
• коэффициент пульсаций выходного напряжения ε = Um/ Uср, где Um — амплитуда низшей (основной) гармоники выходного напряжения. Часто коэффициент пульсаций измеряют в процентах.

Обозначим его через ε %: ε % = Um/Uср · 100%

Указанные параметры являются наиболее важными при использовании выпрямителя.

История изобретения

В 1873 году английский учёный Фредерик Гутри разработал принцип работы вакуумных ламповых диодов с прямым накалом. Уже через год в Германии физик Карл Фердинанд Браун предположил похожие свойства в твердотельных материалах и изобрел точечный выпрямитель.
В начале 1904 года Джон Флеминг создал первый полноценный ламповый диод. В качестве материала для его изготовления он использовал оксид меди. Диоды начали широко использоваться в радиочастотных детекторах. Изучение полупроводников привело к тому, что в 1906 году Гринлиф Виттер Пиккард изобрел кристаллический детектор.

В середине 30-х годов XX века основные исследования физиков были направлены на изучение явлений, проходящих на границе контакта металл-полупроводник. Их результатом стало получение слитка кремния, обладающего двумя типами проводимости. Изучая его, в 1939 году американский учёный Рассел Ол открыл явление, названное позже p-n переходом. Он установил, что в зависимости от примесей, существующих на границе соприкосновения двух полупроводников, изменяется приводимость. В начале 50-х годов инженеры компании Bell Telephone Labs разработали плоскостные диоды, а уже через пять лет в СССР появились диоды на основе германия с переходом менее 3 см.

Изобретателем же схемы выпрямительного моста считается электротехник из Польши Карол Поллак. Позже в журнале Elektronische Zeitung опубликовали результаты исследований Лео Гретца, поэтому в литературе можно встретить и другое название диодного моста — схема или мост Гретца.

Физические свойства p-n перехода

Главным элементом, использующимся при создании выпрямительного узла, является диод. В основе его работы лежит электронно-дырочный переход (p-n).

Общепринятое определение гласит: p-n переход — это область пространства, находящаяся на границе соединения двух полупроводников разного типа. В этом пространстве образуется переход n-типа в p-тип. Значение проводимости зависит от атомного строения материала, а именно от того, насколько прочно атомы удерживают электроны. Атомы в полупроводниках располагаются в виде решётки, а электроны привязаны к ним электрохимическими силами. Сам по себе такой материал является диэлектриком. Он или плохо проводит ток, или не проводит его совсем. Но если в решётку добавить атомы определённых элементов (легирование), физические свойства такого материала кардинально изменяются.

Примешанные атомы начинают образовывать, в зависимости от своей природы, свободные электроны или дырки. Образованный избыток электронов формирует отрицательный заряд, а дырок — положительный.

Избыток заряда одного знака заставляет носителей отталкиваться друг от друга, в то время как область с противоположным зарядом стремится притянуть их к себе. Электрон, перемещаясь, занимает свободное место, дырку. При этом на его старом месте также образовывается дырка. В результате чего создаётся два потока движения зарядов: один основной, а другой обратный. Материал с отрицательным зарядом в качестве основных носителей использует электроны, его называют полупроводником n-типа, а с положительным зарядом, использующим дырки, p-типа. В полупроводниках обоих типов неосновные заряды образуют ток, обратный движению основных зарядов.

В радиоэлектронике из материалов для создания p-n перехода используется германий и кремний. При легировании кристаллов этих веществ образуется полупроводник с различной проводимостью. Например, введение бора приводит к появлению свободных дырок и образованию p-типа проводимости. Добавление фосфора, наоборот, создаст электроны, и полупроводник станет n-типа.

Устройство и структура выпрямителя

Чтобы сгладить полученные импульсы выпрямленного напряжения, после выхода выпрямителя подключают выравнивающий фильтр, состоящий из емкостей, дросселей и сопротивлений. Для выравнивания и регулировки полученного тока и напряжения к выходу сглаживающего фильтра подключают схему стабилизатора. Такие устройства часто подключают и на входе устройства на переменный ток.

Режимы функционирования и свойства отдельных компонентов выпрямителя, стабилизатора, регулятора и фильтра согласовывают с определенными условиями эксплуатации нагрузки потребителя. Поэтому главной задачей при проектировании устройств выпрямления является расчет соотношений, дающих возможность определить по режиму эксплуатации потребителя электрические свойства и параметры компонентов стабилизатора и других частей. Далее необходимо рассчитать эти элементы и выбрать по каталогу в торговой сети.

Принципы работы выпрямителей

В основу работы выпрямительных устройств положено свойство односторонней проводимости элементов. Делать это можно разными способами. Многие пути для промышленного применения отошли в прошлое – например, применение механических синхронных машин или электровакуумных приборов. Сейчас применяются вентили, проводящие ток в одну сторону. Не так давно для мощных выпрямителей применялись ртутные устройства. На сегодняшний момент они практически вытеснены полупроводниковыми (кремниевыми) элементами.

Какие бывают выпрямители

Построение устройств, выпрямляющих переменный ток, базируется на функции итогового агрегата. При необходимости только выравнивать колебания сборка на печатных платах производится за счет неуправляемых полупроводниковых элементов – диодов. Таким образом строятся простейшие выравнивающие элементы.

При необходимости изменений уровня мощности, которая передается на принимающее оборудование, устройство собирают с использованием контролируемых вентилей (тиристоров). Такие выпрямители тока требуются для работы некоторых двигателей, работающих за счет электричества. За счет регулировки подаваемого напряжения изменяется скорость вращения ротора.

N-фазные выпрямители

В подобных устройствах насчитывают более 3 фаз для выпрямления тока. Другие конструктивные особенности различаются. Многофазный выпрямитель может состоять как из полноценного моста, так и из четверти и половины. По количеству входов и распараллеливанию их делят на раздельные, объединенные звездами или кольцами. Кроме того, существуют последовательные виды.

Многофазные выпрямители

Обычно в электросети бывает однофазное или трёхфазное электричество. Однако в такой отрасли, как электротехника используют и многофазное напряжение. Речь идёт о ситуации, когда количество фаз больше трёх. В этом случае применяются выпрямители, которые называются N-фазными.

С ними работают также, как и с трёхфазными. Практически всегда для этой цели используют мостовые схемы в нужном количестве. Классификация выпрямителей для этого случая предусматривает устройства, раздельные для каждой фазы, объединённые кольцом или звездой, а также последовательные.

Классификация по назначению и устройству

Генератор тока переменного

Выпрямители переменного тока разделяют на несколько различных видов, в зависимости от характеристик, использования периодов переменного тока, схем, по количеству фаз и типу пропускающего элемента. В общем виде классификация имеет следующий вид:

• По количеству периодов, задействованных в работе (одно,- и двухполупериодные, а также с полным и неполным использованием волны);
• По типажу устройства делят на включающие электронный мост, умножающие напряжение, с наличием или отсутствием трансформаторов;
• По количеству фаз разделяют на однофазные, двух, трех,- и N-фазные;
• Согласно типу устройства, пропускающего синусоиду, делят на полупроводниковые диодные и тиристорные, механические и вакуумные, ртутные;
• По виду пропускаемой волны делят на импульсные, аналоговые и цифровые.

Преимущества применения

Использование выпрямителей пользователями выгодно по следующим причинам:

• Устанавливаются требуемые основные параметры выходного напряжения.
• Повышается качество поступающего электропитания.
• Обеспечивается высокий коэффициент полезного действия оборудования.
• Снижается пульсация напряжения.
• Выпрямительное устройство можно использовать для однофазной или трехфазной сети в зависимости от его структурной схемы.
• Высокая эффективность преобразующих устройств сочетается с компактностью и относительно небольшим весом. В некоторых моделях предусмотрена даже возможность удаленного управления.
• Выпрямитель в большинстве случаев имеет незначительное реактивное сопротивление.

Принцип действия однополупериодного выпрямителя

В этом примере сопротивление RL представляет нагрузку, хотя, на самом деле, нагрузкой может быть любой элемент или группа элементов, которая может вызвать падение напряжения.

Схема однополупериодного выпрямителя

В течение первой половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии прямого подключения — положительный электрический потенциал воздействует на его анод, а отрицательный потенциал воздействует на его катод. Когда D1 находится в состоянии прямого подключения, ток протекает от отрицательной стороны вторичной обмотки трансформатора, через сопротивление нагрузки, через диод, обратно к положительной стороне вторичной обмотки. Поскольку ток протекает через сопротивление нагрузки, в нём происходит падение напряжения; ток, выходящий из выпрямительного контура появляется в виде положительной полуволны на сопротивлении нагрузки.

Путь тока через однополупериодный находится в состоянии прямого подключения D1

В течение второй половины цикла переменного тока диод D1 находится в состоянии обратного подключения — на его анод воздействует отрицательный электрический потенциал, а положительный электрический потенциал воздействует на его катод. Этот диод не проводит, поэтому в сопротивлении нагрузки RL никакое напряжение не присутствует.

Советуем к прочтению: Тиристоры: принцип работы, проверка и характеристики

Однополупериодный выпрямитель в состоянии обратной проводимости D1

Как видно по форме кривой, у однополупериодных выпрямителей только одна полуволна постоянного тока на выходе при каждом полном цикле переменного тока на входе. По этой причине в оборудованиях обычно не применяются однополупериодные выпрямители; когда они используются, они обычно устанавливаются в оборудовании или контурах, где требуется ток невысокого напряжения и где колебания напряжения не бывают причиной для беспокойства.

Форма кривой выходного сигнала однополупериодного выпрямителя

Принцип работы диода

Диод — это полупроводниковый прибор, имеющий малое сопротивление для тока в одном направлении, и препятствующий его прохождению в обратном. Физически диод состоит из одного p-n перехода. Конструктивно представляет собой элемент, содержащий два вывода. Вывод, подключённый к p-области, называется анодом, а соединённый с n-областью — катодом.

При работе диода существует три его состояния:

• сигнал на выводах отсутствует;
• он находится под действием прямого потенциала;
• он находится под действием обратного потенциала.

Прямым потенциалом называется такой сигнал, когда плюсовой полюс источника питания подключён к области p-типа полупроводника, другими словами, полярность внешнего напряжения совпадает с полярностью основных носителей. При обратном потенциале отрицательный полюс подключён к p-области, а положительный к n.

В области соединения материала n- и p-типа существует потенциальный барьер. Он образуется контактной разностью потенциалов и находится в уравновешенном состоянии. Высота барьера не превышает десятые доли вольта и препятствует продвижению носителей заряда вглубь материала.

Если к прибору подключено прямое напряжение, то величина потенциального барьера уменьшается и он практически не оказывает сопротивление протеканию тока. Его величина возрастает и зависит только сопротивления p- и n- области. При прикладывании обратного потенциала, величина барьера увеличивается, так как из n-области уходят электроны, а из p-области дырки. Слои обедняются и сопротивление барьера прохождению тока возрастает.

Основным показателем элемента является вольт-амперная характеристика. Она показывает зависимость между приложенным к нему потенциалом и током, протекающим через него. Представляется эта характеристика в виде графика, на котором указывается прямой и обратный ток.

Электрические параметры

У каждого типа диодов есть свои рабочие и предельно допустимые параметры, согласно которым их выбирают для работы в той или иной схеме:

• Iобр – постоянный обратный ток, мкА;
• Uпр – постоянное прямое напряжение, В;
• Iпр max – максимально допустимый прямой ток, А;
• Uобр max – максимально допустимое обратное напряжение, В;
• Р max – максимально допустимая мощность, рассеиваемая на диоде;
• Рабочая частота, кГц;
• Рабочая температура, С.

Здесь приведены далеко не все параметры диодов, но, как правило, если надо найти замену, то этих параметров хватает.

Схема простого выпрямителя переменного тока на одном диоде

На вход выпрямителя подадим сетевое переменное напряжение, в котором положительные полупериоды выделены красным цветом, а отрицательные – синим. К выходу выпрямителя подключим нагрузку (Rн), а функцию выпрямляющего элемента будет выполнять диод (VD). При положительных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод открывается.

В эти моменты времени через диод, а значит, и через нагрузку (Rн), питающуюся от выпрямителя, течет прямой ток диода Iпр (на правом графике волна полупериода показана красным цветом). При отрицательных полупериодах напряжения, поступающих на анод диода диод закрывается, и во всей цепи будет протекать незначительный обратный ток диода (Iобр). Здесь, диод как бы отсекает отрицательную полуволну переменного тока (на правом графике такая полуволна показана синей пунктирной линией).

В итоге получается, что через нагрузку (Rн), подключенную к сети через диод (VD), течет уже не переменный, поскольку этот ток протекает только в положительные полупериоды, а пульсирующий ток – ток одного направления. Это и есть выпрямление переменного тока. Но таким напряжением можно питать лишь маломощную нагрузку, питающуюся от сети переменного тока и не предъявляющую к питанию особых требований, например, лампу накаливания.

Напряжение через лампу будет проходить только во время положительных полуволн (импульсов), поэтому лампа будет слабо мерцать с частотой 50 Гц. Однако, за счет тепловой инертности нить не будет успевать остывать в промежутках между импульсами, и поэтому мерцание будет слабо заметным. Если же запитать таким напряжением приемник или усилитель мощности, то в громкоговорителе или колонках мы будем слышать гул низкого тона с частотой 50 Гц, называемый фоном переменного тока. Это будет происходить потому, что пульсирующий ток, проходя через нагрузку, создает в ней пульсирующее напряжение, которое и является источником фона.

Этот недостаток можно частично устранить, если параллельно нагрузке подключить фильтрующий электролитический конденсатор (Cф) большой емкости. Заряжаясь импульсами тока во время положительных полупериодов, конденсатор (Cф) во время отрицательных полупериодов разряжается через нагрузку (Rн)

. Если конденсатор будет достаточно большой емкости, то за время между импульсами тока он не будет успевать полностью разряжаться, а значит, на нагрузке (Rн) будет непрерывно поддерживаться ток как во время положительных, так и во время отрицательных полупериодов. Ток, поддерживаемый за счет зарядки конденсатора, показан на правом графике сплошной волнистой красной линией.

Силовой выпрямительный диод Но и таким, несколько сглаженным током тоже нельзя питать приемник или усилитель потому, что они будут «фонить», так как уровень пульсаций (Uпульс) пока еще очень ощутим. В выпрямителе, с работой которого мы познакомились, полезно используется энергия только половины волн переменного тока, поэтому на нем теряется больше половины входного напряжения и потому такое выпрямление переменного тока называют однополупериодным, а выпрямители – однополупериодными выпрямителями. Эти недостатки устранены в выпрямителях с использованием диодного моста.

Для чего используется выпрямитель

Для передачи и транспортировки электроэнергии удобно использовать переменный ток. Однако электроприборы часто рассчитаны на применение постоянного тока. С целью преобразования переменного тока в постоянный используются различные схемы выпрямления. В частности, преобразовывающие устройства бывают нужны для:

• формирования входного напряжения в высоковольтных силовых установках. Это необходимо, например, для тяговых подстанций, предназначенных для электролиза установок, мощных двигателей постоянного тока.
• автоматической регулировки коэффициента усиления. Преобразующее устройство позволяет получить постоянный сигнал, а также информацию о существующем уровне сигнала и определяет требуемый коэффициент усиления.
• сглаживания слишком резких и иногда случайных колебаний напряжения. Такое выпрямление входного тока применяется и для бытовых, и для производственных целей. Оно гарантирует, что даже при неполадках в питающей сети будут созданы выходные ток и напряжение, обеспечивающие хорошую и правильную работу оборудования.

Выпрямитель тока также используется с целью детектирования модулированных сигналов. Поскольку в обычной жизни и для решения производственных задач электричества требуется всё больше, подстанции стараются модернизировать, чтобы они действовали эффективнее. Иногда это приводит к различным искажениям поступающего переменного напряжения. В таком случае потребителю выгодно самостоятельно устанавливать и использовать выпрямители, которые также называются стабилизаторами.

Применение диодов

Не следует думать, что диоды применяются лишь как выпрямительные и детекторные приборы. Кроме этого можно выделить еще множество их профессий. ВАХ диодов позволяет использовать их там, где требуется нелинейная обработка аналоговых сигналов. Это преобразователи частоты, логарифмические усилители, детекторы и другие устройства. Диоды в таких устройствах используются либо непосредственно как преобразователь, либо формируют характеристики устройства, будучи включенными в цепь обратной связи. Широкое применение диоды находят в стабилизированных источниках питания, как источники опорного напряжения (стабилитроны), либо как коммутирующие элементы накопительной катушки индуктивности (импульсные стабилизаторы напряжения).

Выпрямительные диоды.

Советуем к прочтению: Как рассчитать сопротивление резистора для понижения тока

С помощью диодов очень просто создать ограничители сигнала: два диода включенные встречно – параллельно служат прекрасной защитой входа усилителя, например, микрофонного, от подачи повышенного уровня сигнала. Кроме перечисленных устройств диоды очень часто используются в коммутаторах сигналов, а также в логических устройствах. Достаточно вспомнить логические операции И, ИЛИ и их сочетания. Одной из разновидностей диодов являются светодиоды. Когда-то они применялись лишь как индикаторы в различных устройствах. Теперь они везде и повсюду от простейших фонариков до телевизоров с LED – подсветкой, не заметить их просто невозможно.

Двухполупериодный выпрямитель

Некоторые образцы силового оборудования работают только при большой величине выпрямленного тока, протекающего в нагрузке. Ее неспособны обеспечить однополупериодные выпрямители, что объясняется значительными потерями в них. Для повышения нагрузочной способности в цепях трехфазного тока все чаще применяются двухполупериодные выпрямительные приборы, содержащие по два диода на каждую из фаз.

Классическое включение в этом случае выполнено по схеме Ларионова, в честь которого названо и само выпрямительное устройство.

Анализ рабочих диаграмм такого выпрямителя наглядно свидетельствует о его бесспорных достоинствах. При работе этих схем используются как положительные, так и отрицательные полуволны, что поднимает КПД всего преобразователя. Объясняется это тем, что трехфазная структура схемы совместно с двухполупериодным выпрямлением обеспечивают шестикратное увеличение частоты пульсаций. За счет этого амплитуда сигнала на выходе после сглаживающих конденсаторов заметно возрастает (в сравнении с однополупериодным выпрямителем), а отдаваемая в нагрузку мощность повышается.

Схема диодного моста

Одной из важнейших частей электронных приборов питающихся от сети переменного тока 220 вольт является так называемый диодный мост. Диодный мост – это одно из схемотехнических решений, на основе которого выполняется функция выпрямления переменного тока.

Как известно, для работы большинства приборов требуется не переменный ток, а постоянный. Поэтому возникает необходимость в выпрямлении переменного тока.

Например, в составе блока питания, о котором уже заходила речь на страницах сайта, присутствует однофазный полномостовый выпрямитель – диодный мост. На принципиальной схеме диодный мост изображается следующим образом.

Схема диодного моста

Это так называемый однофазный выпрямительный мост, один из нескольких типов выпрямителей, которые активно применяются в электронике. С его помощью производят двухполупериодное выпрямление переменного тока.

В железе это выглядит следующим образом.

Диодный мост из отдельных диодов S1J37

Схему эту придумал немецкий физик Лео Гретц, поэтому данное схемотехническое решение иногда называют «схема Гретца» или «мост Гретца». В электронике данная схема применяется в настоящее время повсеместно. С появлением дешёвых полупроводниковых диодов эту схему стали применять всё чаще и чаще. Сейчас ею уже никого не удивишь, но в эпоху радиоламп «мост Гретца» игнорировали, поскольку она требовала применения аж 4 ламповых диодов, которые стоили по тем временам довольно дорого.

Расчет мостовой схемы выпрямления

Заданными или известными величинами являются напряжение на нагрузке (Uср.зад, ток через нагрузку Iср, коэффициент пульсации выпрямленного напряжения Kп.зад на выходе, напряжение и частота питающей сети.

Расчетные величины определяются по формулам:

Из справочника выбирается вентиль с допустимым обратным напряжением

Uобр ≥ 1,6Uср.р

и током через вентиль

I’ср ≥ 0,6Iср

Далее рассчитываются электрические величины, характеризующие вторичную обмотку трансформатора:

UII=(1,1÷1,3)Uср.р III = 0,8Iср; PII=UIIIII

С целью получения пологой внешней характеристики, желательно выбирать фильтр, начинающийся с индуктивности.

Коэффициент пульсаций напряжения на входе фильтра

Кп.вх = 0,67.

Коэффициент сглаживания

При токе нагрузки до 200 ма величина емкости звена фильтра не превышает 8—12 мкф. Задавшись емкостью звена фильтра Сф, можно определить индуктивность дросселя фильтра

(208)

Емкость конденсатора C1, шунтирующего дроссель, рассчитывается по формуле

(209)

Конденсатор С1 должен быть рассчитан на рабочее напряжение

Uраб = 4πƒLдрIср

В заключение нужно определить расчетную (габаритную) мощность силового трансформатора, используя формулу

Что такое выпрямитель

Это устройство на входе получает синусоидальный сигнал и преобразует его в постоянное напряжение нужной величины. Важно понимать, что результат на выходе в большинстве случаев не является ровной прямой линией. Фактически речь идёт о сигнале, который близок к ней. Его получают в результате сглаживания импульсов.

Обычно выпрямление напряжения происходит в два этапа. На первом поступаемый переменный ток преобразуют таким образом, чтобы он приобрел нужную амплитуду. Преобразования осуществляются с помощью трансформатора. На втором этапе происходит выравнивание колебаний напряжения.

Процесс выпрямления основан на явлении односторонней проводимости. При этом ток в одном направлении может проходить, а в другом — нет. Раньше для этого применяли вакуумные приборы или синхронизирующие машины, но сейчас подобные методы не используют. В современных выпрямляющих устройствах устанавливаются полупроводниковые диоды.

Каждое такое устройство состоит из трёх блоков: трансформатора, выпрямителя и схемы для сглаживания (фильтра). Первый предназначен для регулировки уровня выходного напряжения. У него на входе и на выходе используется переменное напряжение. Выпрямитель отсекает отрицательные импульсы, а на выход подаёт только положительные.

Сглаживание обычно выполняется с помощью конденсатора. При повышении напряжения на его обкладках накапливается заряд, а при снижении он снимается с них. Таким образом, резкие изменения сглаживаются, делая выходное напряжение приемлемым для потребляющего оборудования. Сигнал не выравнивается полностью, но становится пригодным по своим параметрам для используемого электричество оборудования. Качество выполненной работы характеризует коэффициент выпрямления. Обычно это отношение прямого тока прибора к обратному. Но такой расчет приемлем для идеального устройства. Так коэффициент выпрямления может достигать нескольких сотен тысяч. Чем он больше, тем лучше выпрямитель делает свою работу.

Выпрямители, основу которых составляют полупроводниковые элементы, классифицируются по таким признакам, как:

• Мощность на выходе (повышенной, средней и малой мощности).
• Фазность питания (однофазные, трехфазные, многофазные).
• Тип управления вентилями (управляемые, неуправляемые).
• Вид нагрузки (активная, активно-индуктивная, активно-емкостная).

Выбор схемы прибора зависит от нагрузки и формы потребления тока. При этом нужно учитывать такие параметры выпрямителей, как:

• ток;
• напряжение;
• коэффициент мощности;
• пульсация напряжения на выходе;
• коэффициент полезного действия.

Работа мостовой схемы

Разбираемся с электроизмерительными приборами

Устройство состоит из четырех полупроводниковых вентилей, объединенных в мост. В таком случае вторичная обмотка трансформирующего устройства объединяется с противоположными плечами диодного моста. Нагрузочные резисторы подключат посредством других плеч. При этом выходные характеристики значительно выше, чем у двухпериодных, из-за течения через прибор всей волны напряжений переменного тока.

Во время положительной полуволны сигнал движется от отрицательной части вторичной обмотки трансформирующего устройства через вентили и нагрузочный резистор к положительной части совокупности витков трансформирующего устройства. При негативной полуволне процесс происходит в обратном порядке.

Полупериодный трёхфазный выпрямитель

Такие электротехнические устройства принимают сигналы от каждой из трёх фаз и от нуля. Схема выглядит следующим образом:

Дополнительно для сглаживания применяется конденсатор. Подобный метод используется и в однофазном выпрямителе, но в трехфазном сглаживание получается более качественным из-за сдвига фаз относительно друг друга.

Схема простого выпрямителя

Синусоидальное напряжение представляет собой периодический сигнал, изменяющийся во времени. С математической точки зрения он описывается функцией, в которой начало координат соответствует времени равным нулю. Сигнал состоит из двух полуволн. Находящаяся полуволна в верхней части координат относительно нуля называется положительным полупериодом, а в нижней части — отрицательным.

При подаче переменного напряжения на диод через подключённую к его выводам нагрузку, начинает протекать ток. Этот ток обусловлен тем, что в момент поступления положительного полупериода входного сигнала диод открывается. В этом случае к аноду прикладывается положительный потенциал, а к катоду отрицательный. При смене волны на отрицательный полупериод диод запирается, так как меняется полярность сигнала на его выводах.

Таким образом, получается, что диод как бы отрезает отрицательную полуволну, не пропуская её на нагрузку и на ней появляется пульсирующий ток только одной полярности. В зависимости от частоты приложенного напряжения, а для промышленных сетей она составляет 50 Гц, изменяется и расстояние между импульсами. Такого вида ток называется выпрямленным, а сам процесс —однополупериодным выпрямлением.

Выпрямляя сигнал, используя один диод, можно питать нагрузку, не предъявляющую особых требований к качеству напряжения. Например, нить накала. Но если запитать, например, приёмник, то появится низкочастотный гул, источником которого и будет промежуток, возникающий между импульсами. В некоторой мере для избавления от недостатков однополупериодного выпрямления совместно с диодом применяется параллельно включённый нагрузке конденсатор. Этот конденсатор будет заряжаться при поступлении импульсов и разряжаться при их отсутствии на нагрузку. А значит, чем больше значение ёмкости конденсатора, тем ток на нагрузке будет более сглажен.

Но наибольшего качества сигнала возможно достичь, если использовать для выпрямления одновременно две полуволны. Устройство, позволяющее это реализовать, получило название диодный мост, или по-другому — выпрямительный.

Диодное устройство

Когда говорят о преобразовании переменного напряжения в постоянное, то обычно это не означает, что на выходе оно будет выражаться горизонтальной прямой линией. Качество обработки сигналов может быть различным в зависимости от того, какой тип устройства используется и как работает это устройство. Гарантируется только то, что выходное выпрямленное напряжение будет иметь один знак. Наиболее простым способом преобразования является использование цепи, состоящей из диода и нагрузки.

Виды диодных выпрямителей работают следующим образом: на клеммы слева поступает переменное напряжение. Диод пропускает только положительные импульсы. Когда поступают отрицательные, на выходе появляется нулевое значение. В результате создается напряжение одного знака. Графики представлены далее.

Выпрямитель с диодом называется простым, но применяется редко, поскольку имеет очевидные недостатки. Здесь теряется более половины энергии, а выходное напряжение резко изменяется, что для некоторых электрических приборов не приемлемо.

Назначение и практическое использование

Область использования моста, набранного из диодов, довольно широка. Это могут быть блоки питания и узлы управления. Он стоит во всех устройствах, питающихся от промышленной сети 220 вольт. Например, телевизоры, приёмники, зарядки, посудомоечные машины, светодиодные лампы.

Советуем к прочтению: Датчик температуры: виды, назначение, устройство, типовые схемы

Не обходятся без него и автомобили. После запуска двигателя начинает работать генератор, вырабатывающий переменный ток. Так как бортовая сеть вся питается от постоянного напряжения, ставится выпрямительный мост, через который происходит подача выпрямленного напряжения. Этим же постоянным сигналом происходит и подзарядка аккумуляторной батареи.

Выпрямительное устройство используется для работы сварочного аппарата. Правда, для него применяются мощные устройства, способные выдерживать ток более 200 ампер. Использование в устройствах диодной сборки даёт ряд преимуществ по сравнению с простым диодом. Такое выпрямление позволяет:

• увеличить частоту пульсаций, которую затем просто сгладить, используя электролитический конденсатор;
• при совместной работе с трансформатором избавиться от тока подмагничивания, что даёт возможность эффективнее использовать габаритную мощность преобразователя;
• пропустить большую мощность с меньшим нагревом, тем самым увеличивая коэффициент полезного действия.

Но также стоит отметить и недостаток, из-за которого в некоторых случаях мост не используют. Прежде всего, это двойное падение напряжения, что особенно чувствительно в низковольтных схемах. А также при перегорании части диодов устройство начинает работать в однополупериодном режиме, из-за чего в схему проникают паразитные гармоники, способные вывести из строя чувствительные радиоэлементы.

Блок питания

Ни один современный блок питания не обходится без выпрямительного устройства. Качественные источники изготавливаются с использованием мостовых выпрямителей. Классическая схема состоит всего из трёх частей:

1. Понижающий трансформатор.
2. Выпрямительный мост.
3. Фильтр.

Синусоидальный сигнал с амплитудой 220 вольт подаётся на первичную обмотку трансформатора. Из-за явления электромагнитной индукции во вторичной его обмотке наводится электродвижущая сила, начинает течь ток. В зависимости от вида трансформатора величина напряжения за счёт коэффициента трансформации снижается на определённое значение.

Между выводами вторичной обмотки возникает переменный сигнал с пониженной амплитудой. В соответствии со схемой подключения диодного моста это напряжение подаётся на его вход. Проходя через диодную сборку, переменный сигнал преобразуется в пульсирующий.

Такая форма часто считается неприемлемой, например, для звукотехнической аппаратуры или источников освещения. Поэтому для сглаживания используется конденсатор, подключённый параллельно выходу выпрямителя.

Трёхфазный выпрямитель

На производствах и в местах, где используется трёхфазная сеть, применяют трёхфазный выпрямитель. Состоит он из шести диодов, по одной паре на каждую фазу. Использование такого рода устройства позволяет получить большее значение тока с малой пульсацией. А это, в свою очередь, снижает требования к выходному фильтру.

Наиболее популярными вариантами включения трёхфазных выпрямителей являются схемы Миткевича и Ларионова. При этом одновременно могут использоваться не только шесть диодов, но и 12 или даже 24. Трёхфазные мосты используются в тепловозах, электротранспорте, на буровых вышках, в промышленных установках очистки газов и воды.

Таким образом, использование мостовых выпрямителей позволяет преобразовывать переменный ток в постоянный, которым запитывается вся электронная аппаратура. Самостоятельно сделать диодный мост несложно. При этом его применение позволяет получить не только качественный сигнал, но и повысить надёжность устройства в целом.

Общие характеристики выпрямительных диодов.

В зависимости от значения максимально допустимого прямого тока выпрямительные диоды разделяются на диоды малой

,
средней
и
большой
мощности:

малой мощности

рассчитаны для выпрямления прямого тока до 300mA;
средней мощности
– от 300mA до 10А;
большой мощности
— более 10А.

По типу применяемого материала они делятся на германиевые

и
кремниевые
, но, на сегодняшний день наибольшее применение получили
кремниевые
выпрямительные диоды ввиду своих физических свойств.

Кремниевые диоды, по сравнению с германиевыми, имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, что позволяет получать диоды с очень высокой величиной допустимого обратного напряжения, которое может достигать 1000 – 1500В, тогда как у германиевых диодов оно находится в пределах 100 – 400В.

Работоспособность кремниевых диодов сохраняется при температурах от -60 до +(125 — 150)º С, а германиевых – лишь от -60 до +(70 – 85)º С. Это связано с тем, что при температурах выше 85º С образование электронно-дырочных пар становится столь значительным, что происходит резкое увеличение обратного тока и эффективность работы выпрямителя падает.

Трансформаторная схема с двойной обмоткой и общим выводом

Принцип работы заключается в том, что во время положительной полуволны образуется такое же напряжение. В это время нижний вентиль под воздействием отрицательного сигнала остается закрытым, верхний – открывается. Таким образом, от него течет электрический ток.

При отрицательной части полуволны верхний запирательный диод находится в закрытом состоянии, за счет напряжения, текущего на катод от нижнего вентиля, который открыт за счет поступающего на анод положительного сигнала. При этом работают обе полуволны.

Принцип действия

Принцип работы трехфазного выпрямителя
Принцип работы любого преобразователя синусоидального напряжения основан на выпрямительных свойствах особого полупроводникового элемента – германиевого или кремниевого диода. При протекании через него переменного тока положительная полуволна свободно «проходит» через рабочий электронный переход, смещенный в прямом направлении. При воздействии отрицательной полуволны электроны встречают препятствие в виде потенциального барьера, так что ток через переход течь не может.

В простейших схемах включения используется неполный цикл обработки переменных уровней, так как вторая полуволна безвозвратно теряется. Это заметно снижает преобразуемую мощность. Для сохранения полезной составляющей были разработаны 2-хполупериодные схемы выпрямления, в которых количество диодов увеличено до двух.

«Цепь полного цикла» может содержать 4 выпрямительных элемента, но такая схема относится к категории мостовых.

Особенности трехфазного моста и варианты его построения

Мостовые схемы трехфазных выпрямителей имеют варианты исполнений, позволяющие улучшить параметры устройства. Усовершенствовать их удается за счет введения дополнительных вентильных элементов. В них устанавливают по 6, 9 или даже 12 выпрямительных диодов, включенных по схеме «звезда» или «треугольник».

Чем больше фаз (или пар диодов) используется в схеме выпрямителя, тем ниже уровень пульсаций выходного напряжения.

В качестве примера рассмотрим устройство с 12 выпрямительными диодами. Одна из групп в количестве 6-ти штук включается в этом случае по схеме «звезда» с общей нулевой точкой, а вторая – в треугольник (без земли). С учетом того, что выпрямители соединены последовательно, потенциалы на выходе системы суммируются, а частота пульсаций в нагрузке оказывается в 12 раз большей сетевого значения (50 Герц). После фильтрации поступающее к потребителю напряжение характеризуется более высоким качеством.