Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

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.

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.

Сравнение однофазных и трехфазных устройств

При сравнении трехфазных схем выпрямления со однофазными аналогами важно отметить следующие моменты:

• первые используются только в силовых сетях 380 Вольт, а вторую разновидность допускается устанавливать и в однофазные и в трехфазные цепи (по одному на каждую из фаз);
• выпрямители 380 Вольт позволяют преобразовывать большую мощность и развивать значительные токи в нагрузке;
• с другой стороны самостоятельно сделать трехфазный выпрямитель несколько труднее, поскольку он состоит из большего числа комплектующих изделий.

Расчет трехфазного выпрямителя также будет сложнее, так как в этом случае учитываются векторные составляющие действующих токов и напряжений. Это объясняется тем, что в цепях 380 Вольт фазные параметры смещены относительно друга на 120 градусов.

Понять суть работы трехфазного выпрямителя совсем несложно. Для этого потребуется ознакомиться с основами работы вентильных устройств и проанализировать электрическую схему их включения. Знание принципа действия выпрямительных приборов поможет пользователю эффективнее использовать его в повседневной работе.

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.

Принцип работы выпрямителя

Выпрямитель напряжения
Для ясного понимания принципа работы выпрямителя постоянного тока сначала придется учесть, что для выпрямления переменного напряжения применяют полупроводниковые элементы (диоды). Их отличительной особенностью является возможность проводить ток только в одну сторону. Благодаря этому свойству, подаваемое на них переменное напряжение на выходе будет иметь вид положительных пульсаций со срезанными нижними половинками полупериода колебаний. При положительных полуволнах через диод будет протекать ток, являющийся основой для формирования постоянного питания. Для его получения необходимы дополнительные электрические элементы.

Устройство выпрямительного диода

Любой выпрямитель тока имеет в своем составе следующие основные узлы:

• Понижающий трансформатор, преобразующий 220 Вольт в нужную величину;
• набор из диодов (мостик);
• сглаживающий (фильтрующий) конденсатор;
• стабилизатор, выполненный на основе транзисторных элементов.

Известно множество вариантов электронных выпрямителей, отличающихся числом и способом подсоединения диодов, а также своими рабочими параметрами. Особый интерес представляют различные подходы к включению в схему диодных элементов. Стабилизирующий каскад выпрямительного устройства собирается на транзисторных ключах, называемых электронными реле.

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.

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: Полная мощность трансформатора: что это, из каких частей состоит, методика расчета

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

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.

Мостовые устройства

Еще больше повысить эффективность преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет «трехфазная мостовая схема выпрямления». Этот способ включения удобнее представить в виде совокупности двух однополупериодных схем с нулевой точкой, в которых нечетные диоды образуют катодную группу, а четные – их анодное объединение. В трехфазной мостовой схеме две ветки обработки полуволн различной полярности фактически объединены в единую систему.

Принцип действия трехфазного мостового выпрямителя проще всего представить так:

• при действии на его входе переменного потенциала для каждой полуволны открытыми оказываются два диода из четырех, включенных как бы зеркально;
• в первом случае выпрямляется положительная полуволна входного напряжения, а во втором – отрицательная;
• в результате на выходе такой перекрестной схемы на одном полюсе моста всегда действует плюс, а на другом – минус.

Как в трехфазных выпрямительных мостах, так и в двухполупериодных схемах на диодных переходах теряется часть входного напряжения (на каждом диоде – не более 0,6 Вольта).

Общая потеря за один такт (положительный и отрицательный) в трехфазном мосте составит таким образом 1,2 Вольта. Разработчики выпрямительного оборудования всегда учитывают эти потери и для получения требуемой мощности на выходе заранее закладывают чуть завышенные входные параметры.

Диаграммы или эпюры напряжения мостовых схем – лучшее подтверждение тому, что этот способ включения диодов в выпрямительную цепь обеспечивает максимум передачи энергии. При этом небольшие потери напряжения на переходах чаще всего удается компенсировать за счет лучшей фильтрации во вторичных цепях.

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: Подключение электродвигателя с 380 на 220: схемы и способы подключения электродвигателя с фото и видео

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.

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

Выпрямители. Блок-схема. Назначение элементов. Классификация выпрямителей.

Выпрямителем называется электротехническое устройство для преобразо­вания электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока.

Необходимость такого преобразования обусловлена тем, что промышленные электростанции вырабатывают электрическую энергию в виде энергии трёхфазного тока, а многие производственные и бытовые электроуста­новки работают на постоянном токе.

В зависимости от мощности выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные. Однофазные выпрямители изготовляются обычно на небольшую мощность ( до 1 – 2 кВА), а выпрями­тели средней и большой мощности выполняют, как правило, трехфазными.

Структурная схема выпрямителя в общем случае, содержит следующие основные блоки (рис. 17):

5. 1. Трансформатор Тр

;

6. 2. Выпрямительный блок БВ

;

7. 3. Сглажи­вающий фильтр — фильтр нижних частот СФ

;

8. 4. Стабилизатор выпрямленного напряжения Ст

.

Вход выпрямителя подключается к однофазной или трёхфазной питающей сети на напряжение U ВХ , а к выходу выпрямителя на выходное напряжение U ВЫХ

подключается нагрузка
R Н .
Рис. 17. Структурная схема выпрямителя

Трансформатор(часто называемый силовым) пред­назначен для изменения питающего напряжения сети и получения заданной величины выходного напряжения на нагрузке, а также для электрической развязки блоков вы­прямителя и его нагрузки от электрической линии с целью повышения электробезопас­ности работы с выпрямителем. Трансформатор позволяет также преобразовать одну систему фаз входных напряжений в другую, например трехфазную в шестифазную.

Выпрямительный блок служит для преобразования переменного напряжения в выпрямленное (пульсирующее) и выполняется на базе полупроводниковых приборов дискретного (ключевого) действия (вентильных элементов), обладающих односторонней электропроводно­стью (диоды, тиристоры и др.).

Качество работы вентильных элементов, входящих в выпрямительныйблок, оцени­вается коэффициентом выпрямления как отношение прямого тока к обратному току при одном и том же напряжении называется:

К В = I ПР / I ОБР , (U = const ).

Идеальныевентильные элементы пропускают ток только в одном направлении (прямой ток) и совсем не пропускают тока в обратном направле­нии I ОБР = 0 , т. е.обладают высокими выпрямительными свойствами. Реальныевентильные элементы, в отличие от идеальных, пропускают сравнитель­но небольшой обратный ток I ОБР ≈ 0 и отличаются более низкими выпрямительными свойствами. Поэтому для обеспечения качественной работы выпрямителя вентильные элементы долж­ны обладать малым прямым и большим обратным сопро­тивлениями, а также высоким допустимым обратным напряжени­ем, высоким КПД и стабильностью характеристик.

Сглаживающий фильтр служит для снижения пульсаций (сглаживания) выпрямленного напряжения, получаемого на выходе выпрямительного блока. Фильтр яв­ляется устройством, содержащимR – , L – иС —элементы, благодаря которым фильтр способен запасать энергию при увеличении напряжения и отдавать ее при уменьше­нии напряжения. Качество работы фильтра оценивается коэффи­циентом фильтрации (сглаживания) — отношением коэффициентов пульсации на входе и выходе фильтра q = К П ВХ/ К П ВЫХ.

Стабилизаторслужит для снижения влияния изменяющихся внешних условий (колебания напряжения в питающей сети, изме­нение нагрузки, температуры и т. д.) на режим работы выпрямителя с целью поддержания выходного напряжения на заданном уровне. Стабилизатор может быть установлен как на выходе выпрямителя, так и на входе — со стороны пере­менного тока.

В состав выпрямителя могут также входить выключатели, элементы ав­томатики и защиты от перегрузок. В зависимости от конкретных требований отдельные блоки в выпрямителе могут отсутствовать (кроме выпрямительного блока). Если, например, не требуется изменять входное на­пряжение UВХ и в целях безопасности электрически разделять нагрузку от питающей сети, то из схемы исключается трансформатор, а в некоторых случаях можно исключить сглаживающий фильтр или стабилизатор.

Кроме того, сам выпрямительный блок может быть очень простым или достаточно сложным. В простых схемах содержится мини­мальное количество вентильных элементов, в результате чего получают низкое качество выпрямления со сравнительно высоким коэффици­ентом пульсаций. Сложные схемы строятся на основе смешанного соединения вентильных элементов, благода­ря чему удается понизить коэффициент пульсации и улучшить характеристики выпрямителя.

Основными техническими параметрами выпрямителя являются значение входного (пере­менного) напряжения U ВХ

и тока
I , среднее значение выпрямленного напряжения (средневыпрямленное напряжение) U С В
и ток
I С В
, коэффициент пульсаций
КП,коэффициент сглаживания пульсаций q ,КПД и др.
По способам преобразования переменного тока раз­личают одно- и двухполупериодные выпрямители.

Выпрями́тель (электрического тока) — преобразователь электрической энергии; механическое, электровакуумное, полупроводниковое или другое устройство, предназначенное для преобразования входного электрического тока переменного направления в ток постоянного направления (то есть однонаправленный ток), в частном случае — в постоянный выходной электрический ток.

Большинство выпрямителей создаёт не постоянный, а пульсирующий ток, для сглаживания пульсаций применяют фильтры.

Устройство, выполняющее обратную функцию — преобразование постоянного тока в переменный ток называется инвертором.

Из-за принципа обратимости электрических машин выпрямитель и инвертор являются двумя разновидностями одной и той же электрической машины (справедливо только для инвертора на базе электрической машины).

Выпрямители классифицируют по следующим признакам:

по виду переключателя выпрямляемого тока

механические синхронные с щёточноколлекторным коммутатором тока;

механические синхронные с контактным переключателем (выпрямителем) тока;

с электронной управляемой коммутацией тока (например, тиристорные);

электронные синхронные (например, транзисторные) — как разновидность выпрямителей с управляемой коммутацией;

с электронной пассивной коммутацией тока (например, диодные);

по мощности

силовые выпрямители;

выпрямители сигналов;

по степени использования полупериодов переменного напряжения

однополупериодные — пропускают в нагрузку только одну полуволну;

двухполупериодные — пропускают в нагрузку обе полуволны;

неполноволновые — не полностью используют синусоидальные полуволны;

полноволновые — полностью используют синусоидальные полуволны;

по схеме выпрямления — мостовые, с умножением напряжения, трансформаторные, с гальванической развязкой, бестрансформаторные и пр.;

по количеству используемых фаз — однофазные, двухфазные, трёхфазные и многофазные;

по типу электронного вентиля — полупроводниковые диодные, полупроводниковые тиристорные, ламповые диодные (кенотронные), газотронные, игнитронные, электрохимические и пр.;

по управляемости — неуправляемые (диодные), управляемые (тиристорные);

по количеству каналов — одноканальные, многоканальные;

по величине выпрямленного напряжения — низковольтные (до 100 В), средневольтовые (от 100 до 1000 В), высоковольтные (свыше 1000 В);

по назначению — сварочный, для питания микроэлектронной схемы, для питания ламповых анодных цепей, для гальваники и пр.;

по степени полноты мостов — полномостовые, полумостовые, четвертьмостовые;

по наличию устройств стабилизации — стабилизированные, нестабилизированные;

по управлению выходными параметрами — регулируемые, нерегулируемые;

по индикации выходных параметров — без индикации, с индикацией (аналоговой, цифровой);

по способу соединения — параллельные, последовательные, параллельно-последовательные;

по способу объединения — раздельные, объединённые звёздами, объединённые кольцами;

по частоте выпрямляемого тока — низкочастотные, среднечастотные, высокочастотные.

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.

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.

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.

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: Трехпозиционный переключатель: галетный, с нулевым положением, пакетные и с фиксацией

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.

Рис. 10.7. Схема сварочного трансформатора: 1 — реактивная катушка; 2 — разъемный магнитопровод; 3 — магнитопровод основной; 4 — первичная обмотка; 5 — вторичная обмотка; б — винтовое устройство

Работа трансформатора основана на явлении электромагнитной индукции. При прохождении по первичной обмотке переменного тока в магнитопроводе трансформатора создается переменный магнитный поток, который пронизывает обе обмотки и индуктирует в них эдс. Величина индуктивной эдс пропорциональна числу витков обмоток.

Трансформаторы, как преобразователи напряжения, находят широкое применение в различных электрических устройствах. По назначению трансформаторы делятся на силовые общего назначения и специальные. Первые из них используются на электростанциях для повышения напряжения и у места потребления электроэнергии для понижения напряжения.

К специальным трансформаторам относятся сварочные, измерительные, радиотрансформаторы и др.

В зависимости от рода переменного тока трансформаторы разделяются на одно- и многофазные.

В электрооборудовании строительных машин применяются одно- н трехфазные трансформаторы специального назначения.

Сварочные трансформаторы используются при электродуговой сварке. Они представляют собой (рис. 10.7) понижающие одно- или трехфазные трансформаторы, преобразующие напряжение питающей сети (обычно 220, 380 В) в напряжение, достаточное для горения электрической дуги. Сварочный трансформатор работает в режиме, близком к короткому замыканию. Чтобы величина тока не оказалась слишком большой, что может вызвать прожигание свариваемого материала, последовательно во вторичную обмотку включают реактивную катушку. Катушка размещается на неподвижной части разъемного магнитопровода. Подвижная часть магнитопровода может передвигаться относительно неподвижной с помощью винтового устройства.

Назначение реактивной катушки — создавать дополнительное индуктивное сопротивление. При уменьшении зазора между частями разъемного магнитопровода индуктивное сопротивление растет, а ток из вторичной цепи падает; при увеличении — наоборот. Изменяя, таким образом, величину воздушного зазора, можно регулировать силу тока сварки.

Постоянный ток, используемый в строительных машинах, в настоящее время получают, как правило, выпрямлением переменного тока с помощью полупроводниковых выпрямителей.

Полупроводниками называют материалы, занимающие промежуточное положение по электропроводности между проводниками и непроводниками. К полупроводниковым материалам относятся германий, кремний, селен, фосфор, мышьяк и др. Свойствами полупроводника обладают также химические соединения — селениды, сульфиды, карбиды и др.

В электрооборудовании строительных машин чаще всего применяются селеновые, германиевые и кремниевые выпрямители.

Преобразователи частоты преобразуют электрический ток нормальной частоты и высокочастотный. Они используются, например, в электрифицированных инструментах с двигателями повышенной частоты для преобразования переменного тока частоты 50 Гц в переменный ток частоты 200 Гц. Преобразователь частоты представляет собой смонтированный в одном корпусе агрегат, состоящий из двухполосного асинхронного электродвигателя с короткозамкнутым ротором и восьмиполюсно- го асинхронного генератора. Конструктивно преобразователь состоит из корпуса и ротора. Корпус имеет статор двигателя и статор генератора. Обмотка статора — двухполюсная, обмотка генератора — восьмиполюсная.

Ротор двигателя и ротор генератора установлены на одном валу. Со стороны генератора на валу располагается коллектор, к которому прижимаются щетки, закрепленные в щеткодержателе.

Питание обмоток статора двигателя и ротора генератора осуществляется от сети переменного тока нормальной частоты. При поступлении тока в статор двигателя его ротор начинает вращаться, а вместе с ним и ротор генератора. Электрический ток ротора генератора при этом создает вращающееся магнитное поле, которое индуктирует в восьмиполюсной обмотке статора генератора электродвижущую силу с частотой 200 Гц.

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.