Для чего нужны выпрямители средней и большой мощности
Что такое выпрямитель напряжения и для чего нужен: типовые схемы выпрямителей
Электрическую энергию удобно транспортировать и преобразовывать по величине в виде переменного напряжения. Именно в таком виде она подается к конечному потребителю. Но для питания многих устройств нужно все-таки постоянное напряжение.
Для чего нужен выпрямитель в электротехнике
Задача преобразования переменного напряжения в постоянное возложена на выпрямители. Это устройство широко применяется, и главные сферы использования выпрямляющих устройств в радио- и электротехнике:
Полная область применения выпрямителей обширна, и перечислить её в рамках одного обзора невозможно.
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.
Типовые схемы выпрямителей
Выпрямляющее устройство может быть построено по различным принципам. Анализируя схемы устройств, надо помнить, постоянным напряжение на выходе любого выпрямителя можно назвать лишь условно. Этот узел выдает пульсирующее однонаправленное напряжение, которое в большинстве случаев надо сглаживать фильтрами. Часть потребителей требует еще и стабилизации выпрямленного напряжения.
Однофазные выпрямители
Самым простым выпрямителем переменного напряжения служит одиночный диод.
Он пропускает к потребителю положительные полуволны синусоиды и «срезает» отрицательные.
Область применения такого устройства невелика – в основном, выпрямители импульсных блоков питания, работающих на относительно высоких частотах. Хотя оно и выдает ток, текущий в одном направлении, у него есть существенные недостатки:
Поэтому большее распространение получила двухполупериодная (мостовая) схема.
Здесь ток через нагрузку течёт дважды за период в одном направлении:
Отрицательная волна не пропадает, а также используется, поэтому мощность входного трансформатора используется полнее. Средняя ЭДС в два раза больше, чем у однополупериодного варианта. Форма пульсирующего тока гораздо ближе к прямой, но сглаживающий конденсатор все же потребуется. Его ёмкость и габариты будут меньше, чем в предыдущем случае, потому что частота пульсаций составляет удвоенную частоту сетевого напряжения.
Если есть трансформатор с двумя одинаковыми обмотками, которые можно соединить последовательно или с обмоткой, имеющей отвод от середины, двухполупериодный выпрямитель можно построить по другой схеме.
Этот вариант фактически является удвоенной схемой однополупериодного выпрямителя, но обладает всеми достоинствами двухполупериодного. Недостатком является необходимость применения трансформатора специфической конструкции.
Если трансформатор изготавливается в любительских условиях, нет препятствий намотать вторичную обмотку так, как требуется, но придется применить железо несколько увеличенных размеров. Зато вместо 4 диодов используется только 2. Это позволит скомпенсировать проигрыш в массогабаритных показателях, и даже выиграть.
Если выпрямитель рассчитан на большой ток и вентили надо устанавливать на радиаторах, то установка в два раза меньшего количества диодов дает существенную экономию. Ещё надо 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.
Трёхфазные выпрямители
От предыдущей схемы логично перейти к выпрямителю трехфазного напряжения, собранного по подобному принципу.
Форма выходного напряжения гораздо ближе к прямой линии, уровень пульсаций всего 14%, а частота равна утроенной частоте сетевого напряжения.
И все же исходник этой схемы – однополупериодный выпрямитель, поэтому многие недостатки не удается изжить даже с помощью трехфазного источника напряжения. Главным из них является не полное использование мощности трансформатора, и средняя ЭДС равна 1,17⋅E2eff (эффективное значение ЭДС вторичной обмотки трансформатора).
Лучшие параметры имеет мостовая трёхфазная схема.
Здесь амплитуда пульсаций выходного напряжения составляет те же 14%, но частота равна ушестеренной частоте входного переменного напряжения, поэтому ёмкость фильтрующего конденсатора будет наименьшей из всех представленных вариантов. А выходная ЭДС будет вдвое выше, чем в предыдущей схеме.
Этот выпрямитель применен с выходным трансформатором, имеющим вторичную обмотку по схеме «звезда», но тот же самый узел вентилей будет гораздо менее эффективен при использовании совместно с трансформатором, выход которого включен по схеме «треугольника».
Здесь амплитуда и частота пульсаций такая же, как в предыдущей схеме. Но средняя ЭДС меньше, чем в предыдущей схеме в раз. Поэтому такое включение используется редко.
Выпрямители с умножением напряжения
Можно построить выпрямитель, выходное напряжение которого будет кратно больше входного. Например, существуют схемы с удвоением напряжения:
Здесь конденсатор С1 заряжается во время отрицательного полупериода и включается последовательно с положительной волной входной синусоиды. Недостатком такого построения является невысокая нагрузочная способность выпрямителя, а также то, что конденсатор С2 находится под удвоенным значением напряжения. Поэтому такую схему используют в радиотехнике для выпрямления с удвоением маломощных сигналов для амплитудных детекторов, в качестве измеряющего органа в схемах автоматической регулировки усиления и т.д.
В электротехнике и силовой электронике применяют другой вариант схемы удвоения.
Недостатком схемы считается запрет на заземление одного из выводов нагрузки – один из диодов или конденсаторов в этом случае окажется закороченным.
Эту схему можно каскадировать любое число раз. Так, повторив принцип включения дважды, можно получить схему с учетверением напряжения и т.д.
Первый по схеме конденсатор должен выдерживать напряжение источника питания, остальные – удвоенное напряжение питания. Все вентили должны быть рассчитаны на двойное обратное напряжение. Разумеется, для надежной работы схемы все параметры должны иметь запас не менее 20%.
Если нет подходящих диодов, их можно соединять последовательно — при этом максимально допустимое напряжение кратно увеличится. Но параллельно каждому диоду надо включить выравнивающие резисторы. Это необходимо сделать, потому что в противном случае из-за разброса параметров вентилей обратное напряжение может распределиться между диодами неравномерно. Итогом может стать превышение наибольшего значения для одного из диодов. А если каждый элемент цепочки зашунтировать резистором (их номинал должен быть одинаковым), то и обратное напряжение распределится строго одинаково. Сопротивление каждого резистора должно быть примерно в 10 раз меньше обратного сопротивления диода. В этом случае действие дополнительных элементов на работу схемы будет минимизировано.
Параллельное соединение диодов в этой схеме вряд ли понадобится, токи здесь невелики. Но может пригодиться в других схемах выпрямителей, где нагрузка потребляет серьезную мощность. Параллельное соединение кратно увеличивает допустимый ток через вентиль, но всё портит отклонение параметров. В итоге один диод может взять на себя наибольший ток и не выдержать его. Чтобы этого избежать, последовательно с каждым диодом ставят резистор.
Номинал сопротивления выбирают так, чтобы при максимальном токе падение напряжения на нём составило 1 вольт. Так, при токе в 1 А сопротивление должно быть 1 Ом. Мощность в этом случае должна быть не менее 1 Вт.
В теории увеличивать кратность напряжения можно до бесконечности. На практике следует помнить, что нагрузочная способность таких выпрямителей резко падает с каждым дополнительным каскадом. В итоге можно прийти к ситуации, когда просадка напряжения на нагрузке превысит кратность умножения и сделает работу выпрямителя бессмысленной. Этот недостаток свойственен всем подобным схемам.
Часто такие умножители напряжения выпускаются единым модулем в хорошей изоляции. Подобные приборы применялись, например, для создания высокого напряжения в телевизорах или осциллографах с электронно-лучевой трубкой в качестве монитора. Также известны схемы удвоения с использованием дросселей, но распространения они не получили – намоточные детали сложны в изготовлении и не очень надежны в эксплуатации.
Схем выпрямителей существует достаточно много. Учитывая широкую сферу применения данного узла, важно подойти к выбору схемы и расчету элементов осознанно. Только в этом случае гарантируется долгая и надежная работа.
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое импульсный блок питания и где применяется
Что такое делитель напряжения и как его рассчитать?
Описание характеристик, назначение выводов и примеры схем включения линейного стабилизатора напряжения LM317
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Схемотехника выпрямителей напряжения
В электрических приборах может использоваться постоянное или переменное напряжение. Энергию они получают от аккумулятора, батареи или электрической сети. В последнем случае речь идёт о переменном напряжении. Чтобы электроприбор мог его использовать, оно должно иметь строго определённые характеристики. Если же на выходе нужно получить постоянный ток, тогда устанавливается выпрямитель напряжения. Чтобы его правильно выбрать, необходимо знать, какие бывают выпрямители и как они работают.
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:
Выбор схемы прибора зависит от нагрузки и формы потребления тока. При этом нужно учитывать такие параметры выпрямителей, как:
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:
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.
Преимущества применения
Использование выпрямителей пользователями выгодно по следующим причинам:
Однофазные выпрямители
Существуют разные схемы выпрямителей. Они различаются по своей эффективности и экономичности в зависимости от того, какой используется принцип работы выпрямителя.
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.
Однополупериодный выпрямитель
Схема выпрямителя с конденсатором также считается одной из наиболее простых. Она выглядит следующим образом:
Как можно увидеть на схеме, выпрямитель переменного электрического тока с конденсатором снабжен еще трансформатором, позволяющим получать нужное напряжение. На этом этапе оно остаётся переменным, но меняет амплитуду. Выпрямительное действие основано на работе диода и конденсатора. На обкладки конденсатора попадают только положительные полупериоды синусоиды, поскольку отрицательные не проходят через диод.
На верхнем графике изображена синусоида напряжения, поступающего в выпрямитель на представленной схеме. На нижнем показано, каким будет это напряжение в результате прохождения через диод.
Заряд на обкладках конденсатора растёт при увеличении напряжения. При его уменьшении до нуля он начинает стекать, компенсируя скачки. На выход поступает постоянное напряжение. В схеме применяют для этой цели электролитический конденсатор с большой емкостью. Считается, что лучшие преобразователи для бытовой аппаратуры должны иметь ёмкость не меньше 2200 микрофарад.
Двухполупериодный выпрямитель
Рассматриваемый выпрямитель — это довольно сложное устройство, в схему которого включен трансформатор с двумя вторичными обмотками. Такой преобразователь позволяет использовать не только положительные полупериоды, но и отрицательные.
Выпрямитель со средней точкой работает следующим образом: входное напряжение изменяется по синусоидальному закону. Во время положительного полупериода выпрямление тока будет происходить с использованием того диода, который расположен в верхней части схемы (В1), а при отрицательном — в нижней части (В2).
На нижнем графике показано, какое напряжение образуется после прохождения диодов. Оно не будет принимать отрицательных значений. Теперь его необходимо сгладить. Это выполняется с помощью мощного конденсатора аналогично тому, как реализовано в однополупериодном выпрямителе. Полупроводниковый двухполупериодный выпрямитель обеспечивает на выходе схемы постоянное напряжение со сглаженным сигналом.
Мостовая схема
Этот электронный популярный выпрямитель относится к категории двухполупериодных. Мостовая схема является одной из наиболее распространённых.
При переменном напряжении направление тока меняется по синусоидальному закону. Это происходит дважды в течение одного цикла. При частоте 50 Герц направление меняется 100 раз за секунду. В результате работы диодного моста на выходе будут получены только положительные импульсы напряжения.
На приведённой схеме показано как через диодный мост проходит ток для каждого полупериода. Он выбирает соответствующий маршрут в зависимости от знака напряжения.
Когда на верхней клемме положительное напряжение, ток проходит на провод, ведущий к положительному выходу постоянного тока, выбирая для этого верхнюю правую ветвь диодного моста. Если напряжение отрицательное, то на указанный провод проходит ток с нижней клеммы. Аналогичным образом работает другая ветвь схемы.
При сборке такого выпрямителя нужно учитывать полярность моста. В противном случае можно подключить конденсатор неправильно, что может привести к его порче. Для этого достаточно запомнить следующее правило. В точке, куда смотрят катоды нужно подключать положительный провод, а в той, где аноды — отрицательный.
На выход с диодного моста напряжение будет поступать в виде последовательности импульсов положительной полярности. При его росте конденсатор заряжается, а при уменьшении — отдает заряд, сглаживая импульсы. В результате на выходе схемы образуется постоянное напряжение.
Преобразователь, состоящий из диодного моста, можно сделать самостоятельно из четырёх радиодеталей или воспользоваться готовым. В последнем случае он является цельным элементом с обозначениями на каждом выходе, необходимыми для правильного подключения.
Трёхфазные выпрямители
Рассмотренные выше схемы эффективно работают с однофазным напряжением. Однако на практике часто используется трёхфазное. Можно, конечно, установить преобразователь отдельно для каждой фазы, но при этом поступающая электроэнергия будет использоваться неэффективно. Поэтому применяются разные типы трехфазных выпрямителей.
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.
Мостовая трёхфазная схема
Этот вариант считается наиболее эффективным для устройств, выпрямляющих трёхфазное напряжение.
Получаемый сигнал сглаживают, для чего также применяют конденсатор. За счёт использования трёх фаз выпрямитель считается более качественным по сравнению с однофазным.
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.
История создания
В 1873 году британским учёным Фредериком Гутри была предложена схема выпрямления, основанная на использовании вакуумных диодов. В следующем, 1874 году, Карл Фердинанд Браун из Германии изобрёл точечный твердотельный выпрямитель.
В 1904 году Джон Флемминг создал качественный ламповый диод, который в дальнейшем служил основой для создания рассматриваемых устройств. Спустя 2 года был придуман кристаллический детектор. В тридцатых годах проводились активные исследования эффектов, которые возникали на границе между кристаллами и металлическими деталями. На их основании в 1939 года было обнаружено явление p-n перехода. Одновременно было раскрыто влияние тех или иных примесей на тип проводимости (электронный или дырочный).
Выпрямительный мост в том виде, в котором он сейчас известен, создан польским электротехником Каролем Поллаком. Позже, но независимо от него, такое же открытие было сделано Лео Гретцем. Иногда в технической литературе используется название, данное в честь последнего — схема Гретца.
В заключение следует сказать, что принцип построения выпрямляющего устройства может использоваться самый разный. Но любой из них обеспечивает на выходе напряжение, которое можно назвать постоянным лишь условно. Выпрямитель выдает однонаправленное пульсирующее напряжение. В большинстве случаев его требуется сглаживать фильтрами.