Для чего нужен выпрямитель: переменный ток в постоянный, схема выпрямителя тока

Что такое выпрямитель тока и для чего нужен

Опубликовано 08.11.2019 |
Автор: kmveg

В физике существует такое понятие, как постоянный и переменный ток. По сути, эти два понятия, не совсем корректны, однако так сложилось исторически. Постоянный ток – это направленное движение частиц, которое не изменяются ни по направлению, ни по величине вне зависимости от времени.

Наряду с этим, существует еще и переменный ток, в частном случае направление которого постоянно, а вот величина его изменяется. Для того, чтобы его выпрямить, применяют выпрямитель тока.

При помощи такого устройства получается однонаправленный пульсирующий ток. На самом деле конструкция сложна и специфична, поэтому требуется внимательное отношение к деталям при выборе. Выбрать выпрямитель тока по доступной цене можно на сайте компании newet.ru.

Что такое выпрямитель

Выпрямителем постоянного тока называется устройство, посредством которого преобразуется электрическая энергия. Выпрямители могут быть механическими, электровакуумными, полупроводниковыми устройствами.

На входе переменного электрического тока, при помощи таких устройств, на выходе создается постоянный электрический ток. Данный процесс называется выпрямлением.

Классификация выпрямителей

Данные устройства классифицируются по следующим признакам:

• по мощности;
• по виду переключателя выпрямляемого тока;
• по уровню использования полупериодов переменного напряжения;
• по схеме выпрямления;
• по количеству фаз;
• в зависимости от схемы выпрямления;
• от типа электронного вентиля и пр.

Параметров, которые показывают разновидности выпрямителей много.

Назначение и применение выпрямителей

Назначение выпрямителей заключается в преобразовании переменного тока в постоянный. Данные устройства широко используются в разных сферах деятельности, в частности:

• в блоках питания радио- и электроаппаратуры, как промышленного, так и бытового назначения;
• в блоках питания в бортовых радиоэлектронных системах транспортных средств;
• в блоках питания автотракторной, железнодорожной, водной, авиационной технике и др.;
• в сварочных аппаратах;
• в подстанциях систем энергоснабжения и пр.

Какие бывают выпрямители

Если задачей выпрямителя предусматривается только преобразование тока, то их изготавливают на основе неуправляемых вентилях, т.е., диодов.

Если на выпрямитель накладывается обязанность регулировка уровня напряжения, то здесь используются управляемые вентили – тиристоры.

Твитнуть

Похожие материалы

Выпрямитель напряжения: принцип работы и разновидности

Выпрямитель напряжения – это устройство для преобразования переменного электричества в постоянный ток. В его основе находится полупроводниковый прибор, имеющий одностороннюю проводимость. Такими приборами служат диод или тиристор. Если существует небольшая мощность, несколько сотен Ватт, используется однофазный выпрямитель. Они применяются в самых различных электрических устройствах.

Существуют преобразователи, рассчитанные на тысячи и более Ватт. Здесь используются другие элементы электроники, рассчитанные на такие высокие мощности. В данной статье будут рассмотрены все типы выпрямителей тока, зачем они нужны и по каким принципам они функционируют. В качестве дополнения материал содержит несколько видеороликов и одну научно-популярную статью.

Выпрямитель напряжения (стабилизатор)

Структура и особенности

Выпрямители это электротехнические устройства, которые служат для получения из переменного напряжения, постоянного. Главными компонентами выпрямителей являются вентили и трансформатор. Они создают условия протекания тока в нагрузочной цепи в одну сторону, то есть, выпрямляют его. Из переменного напряжения образуется постоянное с наличием пульсаций.

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.

Выпрямителем называется электронное устройство, предназначенное для преобразования электрической энергии переменного тока в постоянный. В основе выпрямителей лежат полупроводниковые приборы с односторонней проводимостью – диоды и тиристоры.

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.

Стабилизатор напряжения

Полупроводниковые схемы

Любой выпрямитель — это схема. Она включает в себя вторичную обмотку трансформатора, выпрямляющий элемент, электрический фильтр и нагрузку. При этом существует возможность получать умножение напряжения. Выпрямленное напряжение — это сумма постоянного и переменного напряжений. Переменная составляющая — это нежелательная компонента, которую уменьшают тем или иным способом. Но поскольку используются полуволны переменного напряжения, иначе быть не может.

Его можно уменьшить двумя способами:

• улучшая эффективность электрического фильтра;
• улучшая параметры выпрямляемого переменного напряжения.

Простейший выпрямитель однополупериодный. Он отсекает одну из полуволн переменного напряжения. Поэтому коэффициент пульсаций в такой схеме получается самым большим. Но если выпрямляется трехфазное напряжение с одним диодом в каждой фазе, а также одним и тем же фильтром, получится в три раза меньший коэффициент пульсаций. Однако наилучшими характеристиками обладают двухполупериодные выпрямители.

Интересно почитать! Что такое варистор и где его применяют.

Использовать обе полуволны переменного напряжения можно двумя способами:

• по схеме моста;
• по схеме со средней точкой обмотки (схема Миткевича).

Сравним обе эти схемы для одного и того же значения выпрямленного напряжения. В схеме моста используется меньше витков вторичной обмотки трансформатора, что является преимуществом. Но при этом в однофазном выпрямительном мосте необходимы четыре диода. В схеме со средней точкой необходимо в два раза больше витков вторичной обмотки со средней точкой, что является недостатком. Еще один недостаток этой схемы — необходимость симметрии частей обмотки относительно средней точки.

Схема устройства стабилизатора напряжения

Асимметрия будет дополнительным источником пульсаций. Но зато в этой схеме нужны только два диода, что является преимуществом. При выпрямлении на диоде существует напряжение. Его величина почти не изменяется в зависимости от силы тока, протекающего через этот диод. Поэтому мощность, рассеиваемая на полупроводниковом диоде, растет по мере увеличения силы выпрямленного тока.

Это весьма ощутимо при большой силе тока, и поэтому полупроводниковые диоды размещаются на охлаждающих радиаторах и при необходимости обдуваются.

При выпрямлении тока большой силы два диода схемы со средней точкой будут экономичнее и компактнее в сравнении с четырьмя диодами выпрямительного моста. Схемы выпрямителей в свое время не появились из ниоткуда. Их изобрели инженеры. Поэтому схемы выпрямителей в литературе иногда называются в связи с именами своих первооткрывателей. Мостовая схема именуется как «полный мост Гретца». Схема со средней точкой — «выпрямитель Миткевича».

Силовой трансформатор

Это устройство предназначено для согласования напряжений на входе и выходе выпрямительного устройства. Другими словами, трансформатор осуществляет разделение сети нагрузки и сети питания. Существуют всевозможные варианты схем соединения обмоток этого трансформатора, выбор которых зависит от типа схемы выпрямления устройством. На величину выходного напряжения трансформатора U₂ влияет величина напряжения на выходе выпрямительного моста U_н.

Трансформатор способен выполнить гальваническую развязку частоты f₁ с сетью питания U₁, I₁, и нагрузочную цепь с U_н, I_н одновременно. В настоящее время появилась возможность проектировать и производить инверторы высокого напряжения, функционирующие на повышенной частоте и выпрямляющие напряжение. Для этого применяются схемы бестрансформаторного выпрямления, в которых блок вентилей подключается сразу к первичной сети питания.

Силовой трансформатор

Диодный мост

Этот блок выполняет основную функцию в устройстве выпрямителя, преобразуя переменный ток в постоянный. В блоке применяются чаще всего элементы в виде диодов. На выходе блока вентилей снимается постоянное напряжение, имеющее повышенный уровень импульсов, который зависит от числа фаз сети питания и схемой выпрямителя.

Диодный мост

Устройство фильтрования

Фильтрующая часть выпрямителя обеспечивает необходимый уровень пульсаций напряжения на выходе выпрямителя в соответствии с предъявляемыми требованиями нагрузки. В схеме фильтрующего устройства применяются сглаживающий дроссель или сопротивление, подключенные последовательно, и конденсаторы, подключенные параллельно выходу питания.

Однако чаще всего фильтры выполняют по схемам несколько сложнее. В маломощных выпрямителях нет необходимости в применении дросселя и резистора. В схемах выпрямителей для трехфазной сети величина импульсов меньше, тем самым становятся легче условия функционирования фильтра.

Интересно почитать: что такое клистроны.

Отличия выпрямителя и стабилизатора

В связи с ростом энергопотребления домохозяйств подстанции не редко приходится модернизировать. В ином случае качество энергоснабжения заметно снижается. Решением проблемы может стать установка стабилизатора или выпрямителя напряжения. Под выпрямителем тока понимается полупроводниковое, механическое, электровакуумное устройство. Большинство таких приборов создают «пульсирующий» ток. Их основные преимущества заключаются в следующем:

• незначительные пульсации напряжения, неразрывная форма выходного тока;
• высокий КПД во всем регулировочном диапазоне;
• эффективное воздушное охлаждение;
• герметичность конструкции обеспечивает защиту от проникновения внутрь агрессивных сред;
• современные модели имеют промышленный интерфейс для управления с пульта или компьютера при различной удаленности;
• возможность задать автоматический режим работы;
• модульная конструкция выпрямителей высокой мощности позволяет работать при неисправности одного силового модуля;
• оптимальные массогабаритные параметры;
• возможность использования в качестве устройства выпрямления одно- и трехфазного тока.

Представленные в продаже выпрямители тока просты в обслуживании и отличаются высокой степенью ремонтопригодности. Для них характерен высокой энергетический фактор, то есть небольшое реактивное энергопотребление (за исключением тиристорных моделей).

Стабилизаторы напряжения – уникальная техника для автоматической регулировки сетевых параметров на прикрепленных зажимах с заранее установленными пределами. Основное отличие стабилизаторов от выпрямителей заключается в принципе их действия. Например, в стабилизирующих устройствах параметрического типа в основу положено использование свойств нелинейных элементов: карборундовых резисторов, насыщенных дросселей, нелинейных конденсаторов.

Стабилизаторы компенсационного типа работают за счет воздействия колебаний выходного напряжения через цепочку обратной связи на регулирующий элемент. Как правило, это замкнутые системы автоматической регулировки, поэтому их иногда именуют регуляторами напряжения. Через регулирующий орган ток проходит импульсно или непрерывно. Преимущества стабилизаторов напряжения:

• многофункциональность в отличие от выпрямителей. Современные модели стабилизаторов не только регулируют напряжение, но и могут включать задержку его подачи;
• возможность сетевого мониторинга посредством вольтметров встроенного типа;
• наличие дополнительной защиты от замыканий в подключенной сети и перенапряжений с внешней стороны;
• позволяют владельцу быть в курсе происходящего с электросетью.

В качестве еще одного примера схемы выпрямления переменного тока рассмотрим двухтактный выпрямитель. Его еще называют однофазным диодным мостом. Принципиальная схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения приведена на рисунке

схема двухтактного выпрямителя переменного напряжения

Временные диаграммы токов и напряжений этого устройства совпадают с временными диаграммами двухфазного однотактного выпрямителя тока, приведенными на рисунке 4. В выпрямителе переменного тока на диодном мосте присутствует только одна вторичная обмотка, поэтому k = 1. В то же самое время количество импульсов тока за период равно 2, поэтому пульсность в данной схеме равна p= k · q = 1 · 2 = 2. По этой формуле полное название устройства, приведенного на рисунке 5, это двухтактный однофазный выпрямитель тока.

Частота первой гармоники пульсаций в данном случае, как и для двухфазного однотактного выпрямителя вдвое выше частоты сети. Тем не менее, области применения этих типов выпрямителей тока несколько отличаются. Для низковольтных устройств лучше подходит схема, показанная на рисунке 3, так как в ней падение напряжения происходит только на одном диоде.

В ряде случаев это настолько важно, что можно пренебречь возрастанием стоимости трансформатора. В преобразователях AC/DC с относительно высоким выходным напряжением лучше применять схему, приведенную на рисунке 5, так как на ее диодах действует одинарное обратное напряжение (в схеме двухфазного однотактного выпрямителя — удвоенное, так как напряжение на нагрузке и напряжение обмотки трансформатора складываются).

Однофазный выпрямитель напряжения подходит только для схем с относительно небольшим потребляемым током. При необходимости получить значительные величины постоянного тока лучше использовать трехфазный выпрямитель тока. Его основным преимуществом является меньший уровень пульсаций выходного напряжения, что значительно снижает требования к сглаживающему фильтру. В качестве примера приведем схему трехфазного однотактного выпрямителя тока. Она показана на рисунке 6.

Механическое выпрямление напряжения

Определение выпрямления означает получение однонаправленного электрического тока. Его величина при этом будет зависеть от формы переменного напряжения в каждом полупериоде. Но однонаправленный электрический ток при этом получается, как при положительном полупериоде напряжения, так и при его отрицательном значении. При этом нагрузка при переходе напряжения через ноль должна отключаться от ненужной полуволны напряжения. Первые выпрямители выполняли эту задачу механическими контактами.

Они либо приводились в движение синхронным двигателем, либо перемещались достаточно быстродействующим соленоидом. В обеих схемах контакты, переключающие напряжение, перемещаются синхронно с напряжением. В схеме с двигателем они вращаются, замыкаясь в нужный момент времени. Узел, предназначенный для выпрямления напряжения, при вращении аналогичен коллектору двигателя постоянного тока. Количество ламелей – контактов определяется числом оборотов синхронного двигателя.

Схема получения повышенного напряжения.

При переходе синусоиды выпрямляемого напряжения через ноль обе щетки контактируют либо с началом, либо с концом ламели. Начало ламели совпадает с острием стрелки, указывающей направление вращения двигателя. Время контакта щеток с ламелью совпадает с длительностью половины периода выпрямляемого напряжения.

Синхронный двигатель вращается точно и кратно частоте питающего напряжения, которое он выпрямляет присоединенным к нему коллектором. Но его инерционность не позволит выпрямить скачкообразное изменение частоты питающего напряжения. Поэтому он эффективен только как выпрямитель напряжения электросети.

Таблица параметров популярных моделей выпрямителей напряжения с фото.

Выпрямитель на соленоиде замыкает контакт либо на время, когда сердечник втягивается, либо наоборот. Он может сработать только при некотором минимальном напряжении, которое достаточно для перемещения контактов. Поэтому часть полуволны вблизи перехода напряжения через ноль не будет обработана как следует.

Но зато такой выпрямитель может быть изготовлен довольно-таки небольшим. Поэтому он был широко распространен в свое время. Очевидно то, что без коммутации электрической цепи выпрямления напряжения не может быть. А возможности механического контакта ограничены мощностью искры, которая возникает в момент разрыва электрической цепи. Она постепенно уничтожает этот контакт тем быстрее, чем больше электрическая мощность при его размыкании.

Заключение

Рейтинг автора

Автор статьи

Инженер по специальности «Программное обеспечение вычислительной техники и автоматизированных систем», МИФИ, 2005–2010 гг.

Написано статей

Более подробно о том, что такое выпрямитель тока, рассказано в статье Выпрямитель тока: Лекция. Если у вас остались вопросы, можно задать их в комментариях на сайте. А также в нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессионалов. Для этого приглашаем читателей подписаться и вступить в группу.

В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию во время подготовки материала:

www.electrosam.ru

www.digteh.ru

www.stihl-msk.ru

www.electricalschool.info

www.domelectrik.ru

Предыдущая

ТеорияЧто такое электрический ток, виды и условия его существования

Следующая

ТеорияКак устроен однополупериодный выпрямитель и где применяется

Принцип работы выпрямителя

Маломощные выпрямители

Одними из самых  распространенных преобразователей тока являются выпрямители переменного тока в пульсирующий ток. Они имеют очень широкое применение. Условно их можно разделить на маломощные выпрямители (до нескольких сотен ватт)  и выпрямители большой мощности (киловатты и больше).

Принцип работы выпрямителя

Структурная схема выпрямителя:

Главною его частью является выпрямляющее устройство В, образованное из диодов, объединенных особым образом. Именно здесь и происходит преобразование переменного тока в пульсирующий постоянный. Переменное напряжение подается на выпрямляющее устройство через трансформатор Тр. В некоторых случаях трансформатора может и не быть (если напряжение силовой сети отвечает той, которая необходима для работы выпрямителя).

Трансформатор(если он есть) в большинстве также имеет особенности в соединении его обмоток. Пульсирующий ток , как правило не является постоянным по величине в каждое мгновение времени, и когда необходимо иметь более сглаженное его значение, чем полученный после выпрямляющего устройства, применяют фильтры Ф. В случае необходимости выпрямитель дополняют стабилизатором напряжения  или тока Ст, который поддерживает их на постоянном уровне, если параметры силовой сети изменяется по разным причинам. Структурную схему завершает нагрузка Н, которая значительно влияет на работу всего устройства и поэтому считается составляющей частью всего преобразователя.

Собственно выпрямителем является та его часть, которая обведена на рисунке пунктиром и состоит из трансформатора и выпрямительного устройства.

Нулевая схема выпрямления

Рассмотреть принцип действия самого простого выпрямителя однофазного тока целесообразно на нулевой схеме. 

Нулевая схема выглядит так:

Трансформатор Тр  имеет на вторичной стороне две обмотки, соединенные последовательно таким образом, что относительно средней точки а  напряжения  на свободных концах обмоток в и с одинаковые по величине, но противоположные по фазе. Выпрямительное устройство образовано двумя диодами D1 и D2, которые соединены вместе своими катодами, тогда как каждый анод соединен с соответствующей обмоткой. Нагрузка Zн присоединена между катодами диодов и точкой трансформатора.

Как возникает пульсирующее напряжение на нагрузке? Сначала будем считать нагрузку чисто активным сопротивлением, Zн=Rн.  Когда напряжение в обмотках будет изменяться по синусоидальному закону, то в тот полупериод, когда к аноду диода приложен положительный потенциал, будет проходить прямой ток.

Поскольку напряжение на диоде составляет доли вольта, пренебрежем им. Тогда вся положительная полуволна переменного напряжения будет приложена просто к нагрузке Rн.  Когда напряжение приложенное минусом к аноду, тока не будет (малым обратным током диода также пренебрежем). Таким образом, до нагрузки будем доходить лишь положительная полуволна переменного напряжения в течении половины периода. Вторая половина периода будет свободна от тока.

Вторичные обмотки соединены противофазно, нагрузка общая для обеих обмоток, таким образом, в то время, когда в одной из них (например в верхней) ток будет проходить, другая будет от него свободна и наоборот.

Поэтому в нагрузке каждый полупериод будет заполнен полуволной переменного напряжения:

И выпрямленное напряжение Ud будет иметь вид одинаковых полуволн, которые повторяются с периодом, вдвое меньшим, чем период переменного напряжения в сети питания (2π радиан). Для обобщения, что будет удобно, далее будем считать, что период изменения выпрямленного напряжения меньше 2π в m раз и равняется 2π/m (в нашем случае m-2). Если нагрузка активное сопротивление Rн, то и ток в нем id , будет повторять кривую напряжения.

Рассмотренная схема будет иметь тот недостаток, что во вторичных обмотках по сравнению с первичной имеют место значительные пульсации тока, потому что эти обмотки работают по очереди. Поскольку они намотаны на один сердечник, магнитный поток в последнем будет переменным, поэтому и в первичной обмотке ток будет переменным, имея как положительную, так и отрицательную полуволны.

Как известно из курса электротехники, действующие и средние значения тока или напряжения одинаковые только для постоянного тока. Чем больше пульсации, тем больше будет действующее значение относительно среднего. Поэтому мощности обеих сторон трансформатора не будут одинаковыми. Однако трансформатор один, и объем железа для его сердечника следует выбирать, исходя из какого-то одного значения мощности.

Поэтому условно ввели понятие типовой мощности трансформатора, которая равняется среднему мощностей обеих сторон:

Выпрямительный мост или схема Гретца

Указанный недостаток можно исправить, используя выпрямляющее устройство в виде так называемого моста (схема Гретца):

В этом случае первые полупериоды будут работать, например, диоды D2  и D4, а вторые полупериода — D1 и D3. На нагрузке каждый раз будет полная полуволна вторичного напряжения:

 Мостовая схема имеет менее сложный, более легкий и дешевый трансформатор. 

Эта схема появилась исторически раньше нулевой, однако распространения не получила, потому что имела четыре диода вместо двух. А при работе каждые полупериода ток проходит через два последовательно соединенных диода, на которые падает двойное напряжение.

Оказалось, что более сложный трансформатор нулевой схемы, но с одним диодом в кругу выпрямления тока экономично выгоднее, чем мостовая схема с удвоенным числом диодов и двойным расходом энергии на них. И только появление относительно дешевых полупроводниковых диодов с очень маленьким падением прямого напряжения позволило повернуться к мостовым схемам, которая сейчас практически вытеснила нулевую.

Основные соотношения для выпрямителя

Выведем некоторые важные формулы, которые описывают процессы, существующие в этой схеме. Будем считать, что заданными величинами являются средние значения напряжения на нагрузку Ud и среднее значение тока в нем Id.

Среднее значение выпрямленного напряжения

Запомним это выражение на дальнейшее. В нашем случае m=2 и 

 . Поскольку Ud считаем заданным, то

Амплитудное значение вторичного напряжения

Из предыдущего выражения имеем:

Коэффициент трансформации трансформатора

Этот коэффициент определяет отношения питающей сети к напряжению на обмотке вторичной стороны:

Действующее значение тока вторичной обмотки

Ток вторичной обмотки в то же время есть током в нагрузке. Поскольку нагрузка чисто активная и ток в ней повторяет по форме пульсирующее напряжение, то между его средним значением и его действующим значением существует такая же зависимость, что и для напряжений, то есть

Действующее значение тока первичной обмотки

Ток в первичной обмотке повторяет с учетом n ток вторичной обмотки :

Мощность трансформатора

Мощности первичной и вторичной сторон трансформатора в этой схеме одинаковые, поэтому:

Пульсация выпрямленного напряжения

Пульсирующее напряжение состоит из среднего значения Ud   и бесконечного количества гармоничных составляющих, амплитуды которых можно определить по формулам Фурье. Если начало координат выбрать так как на рисунке, то в гармоничном составе будут присутствовать только косинусные гармоники (т.к. кривая симметрична относительна оси координат). Амплитуда k-ой гармоники определяется по формуле:

Где: l – полупериод π/m;  

Наибольшую амплитуду будет иметь первая гармоника U(1)m, поэтому определим только ее, предположив, что k=1:

Заменив  

 получим:

Отношение первой гармоники к среднему значению называют коэффициентом пульсаций:

Запомним эту формулу на будущее, а сейчас отметим, что в нашем случае при m – 2, q – 2/3. Это большие пульсации – амплитуда первой гармоники составляет 67% от среднего значения выпрямленного напряжения.

 Средний ток диодов

Как мы уже видели диоды работают по очереди – каждый из них проводит в среднем половину общего тока , который есть в нагрузке. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ток  Iв = Id/2

Наибольшее обратное напряжение на диоде

В то время когда диод B1 проводит его можно считать замкнутым, и тогда к диоду B2 будет приложено в обратном направлении напряжение вторичной обмотки. Поэтому каждый из диодов должен быть рассчитан на ее амплитудное значение:

Что такое однофазный выпрямитель, принцип работы, типы и схемы

Выпрямитель преобразует колеблющийся синусоидальный источник переменного напряжения в источник постоянного напряжения постоянного тока с помощью диодов, тиристоров, транзисторов или преобразователей. Этот процесс выпрямления может принимать различные формы с полуволновыми, двухполупериодными, неконтролируемыми и полностью управляемыми выпрямителями, преобразующими однофазный или трехфазный источник питания в постоянный уровень постоянного тока. 

Описание

Выпрямители являются одним из основных строительных блоков преобразования мощности переменного тока с полуволновым или двухволновым выпрямлением, обычно выполняемым полупроводниковыми диодами. Диоды позволяют переменным токам течь через них в прямом направлении, в то же время блокируя протекание тока в обратном направлении, создавая постоянный уровень напряжения постоянного тока, что делает их идеальными для выпрямления.

Однако постоянный ток, который выпрямляется диодами, не такой чистый, как ток, получаемый, скажем, от источника батареи, но имеет изменения напряжения в виде пульсаций, наложенных на него в результате переменного питания.

Но для однофазного выпрямления нам нужна синусоидальная форма переменного тока с фиксированным напряжением и частотой, как показано на рисунке.

Сигналы переменного тока обычно имеют два числа, связанных с ними. Первое число выражает степень вращения осциллограммы вдоль оси x, на которую генератор вращался от 0 до 360 o .

 Это значение известно как период (T), который определяется как интервал, взятый для завершения одного полного цикла сигнала. Периоды измеряются в градусах, времени или радианах. Соотношение между периодами синусоидальных волн и частотой определяется как: T = 1 / ƒ .

Второе число указывает амплитуду значения, тока или напряжения, вдоль оси y. Это число дает мгновенное значение от нуля до некоторого пикового или максимального значения (A MAX , V MAX или I MAX  ), указывающее наибольшую амплитуду синусоидальных волн, прежде чем снова вернуться к нулю. Для синусоидальной формы волны есть два максимальных или пиковых значения, одно для положительных и одно для отрицательных полупериодов.

Но помимо этих двух ценностей есть еще две, которые представляют интерес для нас в целях исправления. Один — это Среднее значение сигналов, а другой — его среднеквадратичное значение. Среднее значение формы сигнала получается путем добавления мгновенных значений напряжения (или тока) в течение одного полупериода и обнаруживаются как: 0,6365 * V P . Обратите внимание, что среднее значение за один полный цикл симметричной синусоидальной волны равно нулю.

Среднеквадратическое значение или эффективное значение синусоиды (синусоида — это другое название синусоидальной волны) обеспечивает такое же количество энергии для сопротивления, что и источник постоянного тока того же значения. Среднеквадратическое значение (RMS) синусоидального напряжения (или тока) определяется следующим образом: 0,7071 * V P.

Принцип работы

Все однофазные выпрямители используют полупроводниковые устройства в качестве основного устройства преобразования переменного тока в постоянный. Однофазные неконтролируемые полуволновые выпрямители являются наиболее простой и, возможно, наиболее широко используемой схемой выпрямления для малых уровней мощности, поскольку на их выход сильно влияет реактивное сопротивление подключенной нагрузки.

Для неконтролируемых выпрямительных цепей полупроводниковые диоды являются наиболее часто используемым устройством и расположены таким образом, чтобы создавать либо полуволновую, либо двухполупериодную схему выпрямителя. Преимущество использования диодов в качестве устройства выпрямления состоит в том, что по своей конструкции они являются однонаправленными устройствами, имеющими встроенный однонаправленный pn-переход.

Этот pn-переход преобразует двунаправленный переменный источник питания в однонаправленный ток, устраняя половину источника питания. В зависимости от подключения диода, он может, например, пропустить положительную половину сигнала переменного тока при прямом смещении, исключая при этом отрицательный полупериод, когда диод становится обратным смещением.

Обратное также верно, устраняя положительную половину или форму волны и передавая отрицательную половину. В любом случае, выход из одного диодного выпрямителя состоит только из одной половины формы сигнала 360 o, как показано на рисунке.

Полуволновое выпрямление

Приведенная выше конфигурация однофазного полуволнового выпрямителя пропускает положительную половину формы сигнала переменного тока, причем отрицательная половина исключается. Меняя направление диода, мы можем пропустить отрицательные половины и устранить положительные половины формы сигнала переменного тока. Поэтому на выходе будет серия положительных или отрицательных импульсов.

Таким образом, на подключенную нагрузку не подается напряжение или ток, R L в течение половины каждого цикла. Другими словами, напряжение на сопротивлении нагрузки R L состоит только из половины сигналов, либо положительных, либо отрицательных, поскольку оно работает только в течение половины входного цикла, отсюда и название полуволнового выпрямителя.

Надеемся, что мы видим, что диод позволяет току течь в одном направлении, создавая только выход, который состоит из полупериодов. Эта пульсирующая форма выходного сигнала не только изменяется ВКЛ и ВЫКЛ каждый цикл, но присутствует только в 50% случаев, и при чисто резистивной нагрузке это содержание пульсации высокого напряжения и тока является максимальным.

Этот пульсирующий постоянный ток означает, что эквивалентное значение постоянного тока падает на нагрузочном резисторе, поэтому R L составляет только половину среднего значения синусоидальных сигналов. Поскольку максимальное значение синусоидальной формы сигнала равно 1 (sin (90 o )), среднее значение постоянного тока, полученное для половины синусоиды, определяется как: 0,637 x максимальное значение амплитуды.

Таким образом, во время положительного полупериода A AVE составляет 0,637 * A MAX . Однако, поскольку отрицательные полупериоды удалены из-за выпрямления диодом, среднее значение в течение этого периода будет нулевым.

Среднее значение синусоиды

Таким образом, для полуволнового выпрямителя в 50% случаев среднее значение составляет 0,637 * A MAX, а в 50% случаев — ноль. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для полуволнового выпрямителя задаются как:

V AVE  = 0,318 * V MAX

I AVE  = 0,318 * I MAX

Обратите внимание, что максимальное значение A MAX — это значение входного сигнала, но мы также могли бы использовать его среднеквадратичное значение или среднеквадратичное значение, чтобы найти эквивалентное выходное значение постоянного тока однофазного полуволнового выпрямителя. Чтобы определить среднее напряжение для полуволнового выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9 (форм-фактор) и делим произведение на 2, то есть умножаем его на 0,45, получая:

V AVE  = 0,45 * V RMS

I AVE  = 0,45 * I RMS

Затем мы можем видеть, что схема полуволнового выпрямителя преобразует либо положительные, либо отрицательные половины формы сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,318 * A MAX или 0,45 * A RMS, как показано.

Полноволновое выпрямление

Двухполупериодный выпрямитель использует обе половины входной синусоидальной формы волны для обеспечения однонаправленного выход, т.к. он состоит из двух полуволновых выпрямителей, соединенных вместе для питания нагрузки.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель делает это с помощью четырех диодов, расположенных в виде моста, пропускающих положительную половину формы волны, как и раньше, но инвертирующих отрицательную половину синусоидальной волны для создания пульсирующего выхода постоянного тока. 

Несмотря на то, что напряжение и ток на выходе выпрямителя пульсируют, оно не меняет направление, используя полные 100% формы входного сигнала и, таким образом, обеспечивает двухполупериодное выпрямление.

Однофазный двухполупериодный мостовой выпрямитель

Эта мостовая конфигурация диодов обеспечивает двухполупериодное выпрямление, потому что в любое время два из четырех диодов смещены в прямом направлении, а два других — в обратном. Таким образом, в проводящем тракте два диода вместо одного для полуволнового выпрямителя. Следовательно, будет разница в амплитуде напряжения между V IN и V OUT из-за двух прямых падений напряжения на последовательно соединенных диодах. Здесь, как и прежде, для простоты математики мы примем идеальные диоды.

Так как же работает однофазный двухполупериодный выпрямитель? Во время положительного полупериода V IN диоды D 1 и D 4 смещены в прямом направлении, а диоды D 2 и D 3 — в обратном. Затем для положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 1 — A — R L — B — D 4 и возвращается к источнику питания.

Во время отрицательного полупериода V IN диоды D 3 и D 2 смещены в прямом направлении, а диоды D 4 и D 1 — в обратном. Затем для отрицательного полупериода входного сигнала ток течет по пути: D 3 — A — R L — B — D 2 и возвращается к источнику питания.

В обоих случаях положительные и отрицательные полупериоды входного сигнала создают положительные выходные пики независимо от полярности входного сигнала и, как таковой, ток нагрузки I всегда течет в том же направлении через нагрузку, R L между точками или узлами A и B. Таким образом, отрицательный полупериод источника становится положительным полупериодом при нагрузке.

Таким образом, в зависимости от того множества проводящих диодов, узел А всегда более положительный, чем узел B. Поэтому ток и напряжение нагрузки являются однонаправленными или постоянными, что дает нам следующую форму выходного сигнала.

Форма волны на выходе выпрямителя

Хотя этот пульсирующий выходной сигнал использует 100% входного сигнала, его среднее напряжение постоянного тока не совпадает с этим значением.

Однако двухполупериодные выпрямители имеют два положительных полупериода на входной сигнал, что дает нам другое среднее значение.

Среднее значение двухполупериодного выпрямителя

Для двухполупериодного выпрямителя для каждого положительного пика имеется среднее значение 0,637 * A MAX, и, поскольку на входной сигнал имеется два пика, это означает, что есть две серии средних значений, суммируемых вместе. Таким образом, выходное напряжение постоянного тока двухполупериодного выпрямителя в два раза выше, чем у предыдущего полуволнового выпрямителя. Если максимальная амплитуда равна 1, среднее значение или эквивалент значения постоянного тока, видимый по сопротивлению нагрузки, R L будет:

Таким образом, соответствующие выражения для среднего значения напряжения или тока для двухполупериодного выпрямителя задаются как:

V AVE  = 0,637 * V MAX

I AVE  = 0,637 * I MAX

Чтобы определить среднее напряжение для двухполупериодного выпрямителя, мы умножаем среднеквадратичное значение на 0,9:

V AVE  = 0,9 * V RMS

I AVE  = 0,9 * I RMS

Двухполупериодная схема выпрямителя преобразует ОБЕ положительную или отрицательную половинки сигнала переменного тока в импульсный выход постоянного тока, который имеет значение 0,637 * A MAX или 0,9 * A RMS.

Полноволновой полууправляемый мостовой выпрямитель

Двухполупериодное выпрямление имеет много преимуществ по сравнению с более простым полуволновым выпрямителем, например, выходное напряжение более согласовано, имеет более высокое среднее выходное напряжение, входная частота удваивается в процессе выпрямления и требует меньшего значения емкости сглаживающего конденсатора, если таковой требуется. Но мы можем улучшить конструкцию мостового выпрямителя, используя тиристоры вместо диодов в его конструкции.

Заменив диоды внутри однофазного мостового выпрямителя тиристорами, мы можем создать фазо-управляемый выпрямитель переменного тока в постоянный для преобразования постоянного напряжения питания переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Фазоуправляемые выпрямители, полууправляемые или полностью управляемые, имеют множество применений в источниках питания переменного тока и в управлении двигателями.

Однофазный мостовой выпрямитель — это то, что называется «неуправляемым выпрямителем» в том смысле, что приложенное входное напряжение передается непосредственно на выходные клеммы, обеспечивая фиксированное среднее значение эквивалентного значения постоянного тока. Чтобы преобразовать неуправляемый мостовой выпрямитель в однофазную полууправляемую выпрямительную цепь, нам просто нужно заменить два диода тиристорами (SCR), как показано на рисунке.

В конфигурации с полууправляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров и двух диодов. Как мы узнали из нашего урока о тиристорах, тиристор будет проводить (состояние «ВКЛ») только тогда, когда его анод (A) более положительный, чем его катод (K) и импульс запуска подается на его затвор (G). В противном случае он остается неактивным.

Таким образом, задерживая импульс запуска, подаваемый на клемму затвора тиристоров, на контролируемый период времени или угол ( α ) после того, как напряжение питания переменного тока прошло пересечение нулевого напряжения между анодным и катодным напряжением, мы можем контролировать, когда тиристор начинает проводить ток и, следовательно, контролировать среднее выходное напряжение.

Во время положительного полупериода входного сигнала ток течет по пути: SCR 1 и D 2 и обратно к источнику питания. Во время отрицательного полупериода V INпроводимость проходит через SCR 2 и D 1 и возвращается к источнику питания.

Понятно, что один тиристор из верхней группы ( SCR 1 или SCR 2 ) и соответствующий ему диод из нижней группы ( D 2 или D 1 ) должны проводить вместе, чтобы протекать ток любой нагрузки.

Таким образом, среднее выходное напряжение V AVE зависит от угла включения α для двух тиристоров, включенных в полууправляемый выпрямитель, поскольку два диода неуправляются и пропускают ток всякий раз, когда смещено вперед. Таким образом, для любого угла срабатывания затвора α среднее выходное напряжение определяется как:

Обратите внимание, что максимальное среднее выходное напряжение возникает, когда α = 1, но все еще равно 0,637 * V MAX, как для однофазного неуправляемого мостового выпрямителя.

Мы можем использовать эту идею для контроля среднего выходного напряжения моста на один шаг вперед, заменив все четыре диода тиристорами, что дает нам полностью управляемую схему мостового выпрямителя .

Полностью управляемый мостовой выпрямитель

Однофазные мостовые выпрямители с полным управлением известны чаще как преобразователи переменного тока в постоянный. Полностью управляемые мостовые преобразователи широко используются в управлении скоростью машин постоянного тока и легко достигаются путем замены всех четырех диодов мостового выпрямителя тиристорами, как показано на рисунке.

В конфигурации с полностью управляемым выпрямителем среднее напряжение нагрузки постоянного тока контролируется с использованием двух тиристоров на полупериод. Тиристоры SCR 1 и SCR 4 запускаются вместе как пара во время положительного полупериода, в то время как тиристоры SCR 3 и SCR 4 также запускаются вместе как пара во время отрицательного полупериода. Это 180 oпосле SCR 1 и SCR 4 .

Затем в режиме работы с непрерывной проводимостью четыре тиристора постоянно переключаются в виде чередующихся пар для поддержания среднего или эквивалентного выходного напряжения постоянного тока. Как и в случае полууправляемого выпрямителя, выходное напряжение можно полностью контролировать, изменяя угол задержки включения тиристоров ( α ).

Таким образом, выражение для среднего напряжения постоянного тока однофазного полностью управляемого выпрямителя в режиме непрерывной проводимости дается как:

со средним выходным напряжением, изменяющимся от V MAX / π до -V MAX / π путем изменения угла зажигания, α от π до 0 соответственно. Поэтому, когда α <90 o,среднее напряжение постоянного тока является положительным, а когда α> 90 oсреднее напряжение постоянного тока является отрицательным. То есть мощность течет от нагрузки постоянного тока к источнику переменного тока.

Резюме однофазного выпрямления

Однофазные выпрямители могут принимать различные формы для преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение из неконтролируемых однофазных выпрямителей на полуволнах в полностью управляемые двухполупериодные мостовые выпрямители с использованием четырех тиристоров.

Преимуществами полуволнового выпрямителя являются его простота и низкая стоимость, так как для него требуется только один диод. Однако это не очень эффективно, так как используется только половина входного сигнала, дающего низкое среднее выходное напряжение.

Двухполупериодный выпрямитель более эффективен, чем полуволновой выпрямитель, поскольку он использует оба полупериода входной синусоидальной волны, создавая более высокое среднее или эквивалентное выходное напряжение постоянного тока. Недостатком двухполупериодной мостовой схемы является то, что она требует четырех диодов.

Фазоуправляемое выпрямление использует комбинации диодов и тиристоров (SCR) для преобразования входного напряжения переменного тока в контролируемое выходное напряжение постоянного тока. Полностью контролируемые выпрямители используют четыре тиристора в своей конфигурации, тогда как наполовину управляемые выпрямители используют комбинацию как тиристоров, так и диодов.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 2 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Выпрямители тока: принцип работы, схема

Выпрямитель — это устройство, которое создано для преобразования тока. Многие модели устанавливаются с фильтрами. Сфера применения выпрямителей очень широкая. Они активно используются в блоках питания, подстанциях, а также сварочных аппаратах.

В первую очередь модели делятся по фазам. Существуют двухфазные, а также трехфазные модификации. Мостовые устройства изготавливаются исключительно для преобразователей. По мощности выделяют силовые элементы, а также модели сигналов. По наличию устройств стабилизации они делятся на полноволновые, неполноволновые, двухпериодные и трансформаторные модификации. Для того чтобы разобраться в выпрямителях, необходимо рассмотреть схему обычной модели.

Схема выпрямителя

Схема выпрямителя тока включает в себя проводники с различной проводимостью тока. Также в устройствах используются каналы. Электронные вентили устанавливаются различной чувствительности. Если рассматривать мостовые модификации, то у них применяются стабилитроны. Также на рынке представлены диодные устройства.

Принцип действия

Принцип работы выпрямителя основывается на преобразовании тока. Осуществляется данный процесс за счет изменения частоты. Для этого в устройстве имеется электронный вентиль. Для стабилизации процесса преобразования используются каналы. Чтобы избежать проблем с отрицательной полярностью, устанавливаются стабилитроны. Непосредственно подключение устройства осуществляется через проводники.

Силовые устройства

Выпрямители тока данного типа используются в различных блоках питания. Наиболее часто их можно встретить в персональных компьютерах. Схема устройства предполагает использование векторного транзистора. Если рассматривать двухканальную модификацию, то подключение осуществляется через расширитель.

В некоторых устройствах используются тетроды. Если рассматривать трехканальные элементы, то они рассчитаны для блоков питания на 20 В. В данном случае тетроды никогда не применяются. Принцип работы выпрямителей построен на изменении частоты. Многие модификации продаются с электронными вентилями. Если говорить про параметры, то чувствительность устройства колеблется в районе 23 мВ. Непосредственно проводимость тока у моделей не превышает 2 мк.

Принцип работы выпрямителей сигналов

Выпрямители сигналов работают от обратной связи. Использоваться модели могут только в сети с переменным током. Если рассматривать устройства на 12 Вт, то следует отметить, что фильтры применяются только полудуплексного типа. Также стандартная схема выпрямителя подразумевает использование транзистора с ресивером.

У моделей на три канала обязательно используются триггеры. Данные устройства устанавливаются через изоляторы. Выходное напряжение у моделей, как правило, не превышает 20 В. Силовая электроника у выпрямителей позволила решить проблему с перепадами напряжения за счет установки диодных мостов.

Мостовые устройства

Мостовые выпрямители продаются для блоков питания и преобразователей. Действуют устройства в сети с переменным током. Непосредственно изменение частоты осуществляется за счет работы расширителя. Указанный элемент в выпрямителе играет роль проводника. В некоторых случаях он устанавливается с изоляторами. По системе защиты мостовые выпрямители довольно сильно отличаются.

Если рассматривать модификации на три канала, то у них используются триггеры. Данные элементы могут устанавливаться с обкладкой и без нее. Модификации на четыре канала встречаются очень редко. Показатель проводимости тока у выпрямителей не превышает 40 мк. В данном случае чувствительность устройства равняется 2,5 мк.

Двухфазные модификации

Двухфазные выпрямители тока производятся для транспортных средств. Работают модели по принципу изменения частоты. Осуществляться этот процесс может за счет расширителя либо триггера. Наиболее часто модели встречаются без тетродов. Параметр предельной перегрузки у модификаций не превышает 6 А. Фильтры используются, как правило, проводного типа.

Если рассматривать модификации на три канала, то у них есть двухразрядный триггер. Показатель его чувствительности составляет не более 3 мк. В свою очередь, выходное напряжение максимум равняется 35 В. Силовая электроника у двухфазных устройств дала возможность решить проблему с перегрузками напряжения благодаря использованию диодных мотов.

Трехфазные модели

Трехфазный выпрямитель встретить можно только в трансформаторных подстанциях. Работают устройства от высоковольтной чети. В данном случае принцип работы модели построен то резком увеличении частоты. Параметр выходного напряжения при этом остается неизменными. Выпускаются модели на три и четыре канала. Подсоединение у них происходит через проводники.

Трехфазный выпрямитель на три канала выпускается с тетродами. В некоторых случаях для стабилизации процесса преобразования применяются расширители. Если говорить про выпрямители на четыре канала, то важно отметить, что они производятся всегда с усилителями. В данном случае показатель проводимости тока лежит в пределах 70 мк. Чувствительность выпрямителя равняется не более 4,2 мВ.

Полноволновые устройства

Полноволновый выпрямитель напряжения тока работает за счет смены полярности на расширителях. Транзисторы, как правило, используются открытого типа. Подходят данные устройства для преобразователей на 20 и 30 В. Непосредственно параметр чувствительности у них равняется 3 мВ. В свою очередь, проводимость тока находится в районе 4,5 мк.

Если говорить про модификации на три канала, то они устанавливаются только в блоки питания с усилителями. Фильтры для выпрямителей подходят в основном расширительного типа. Если говорить про устройства на четыре канала, то у них показатель проводимости тока лежит в районе 3 мк. Для трансформаторных подстанций модели не подходят.

Неполноволновые модификации

Неполноволновые выпрямители тока отличаются отсутствием электронного вентиля. Выпускаются элементы только с двумя каналами. Непосредственно подсоединение модификации осуществляется через контакты. Изоляторы используются как с обкладкой, так и без нее. В некоторых случаях применяются усилители.

Также важно отметить, что устанавливаются выпрямители данного типа в контроллерах. Параметр выходного напряжения у них, как правило, не превышает 30 В. В среднем чувствительность устройств составляет 75 мВ. В данном случае проводимость тока зависит от типа используемых фильтров.

Однопериодные модификации

Однопериодные выпрямители тока производятся для различных ресиверов. Отличительной чертой элементов принято считать высокий параметр проводимости тока. Работают устройства от обратной полярности. Выпускаются модели на два и три канала. Если рассматривать первый вариант, то важно отметить, что проводники используются с обкладкой. В данном случае расширители устанавливаются редко. Параметр проводимости тока у выпрямителей колеблется в районе 3 мк.

Если говорить про устройства на три канала, то они всегда выпускаются с тетродами. Также схема модификации подразумевает использование модуляторов. Для низкочастотных ресиверов указанные выпрямители подходят идеально. В данном случае чувствительность составляет не более 60 мВ.

Схема двухпериодных устройств

Двухпериодный выпрямитель тока 220 В производится для преобразования тока от приводных устройств. В данном случае процесс происходит за счет изменения частоты напряжения. Расширители у моделей используются, как правило, отрытого типа. Если говорить про модификации на два канала, то у них применяются распределительные фильтры. В некоторых случаях устанавливаются триггеры. Для подключения устройств к приводным установкам необходимы транзисторы полевого типа. Выпускаются они с различной емкостью. Как правило, на рынке представлены модификации на 20 пФ.

Особенности трансформаторных устройств

Трансформаторный выпрямитель (преобразователь электрической энергии) способен работать в сети с постоянным и переменным током. В данном случае триггеры используются трехразрядного типа. Для подключения устройств применяются проводники. Встретить трансформаторные выпрямители можно на подстанциях. Данные устройства рассчитаны на высокое выходное напряжение.

Система защиты у них устанавливается с хроматическими фильтрами. В данном случае параметр чувствительности лежит в пределах 80 мВ. Для приводных механизмов указанные устройства не подходят однозначно. Показатель приводимости тока у них равняется 20 мк. Триггеры для цепей подбираются как открытого, так и закрытого типа. В среднем параметр пороговой перегрузки находится на уровне 5 А.

Модели с умножением напряжения

Выпрямители данного типа на сегодняшний день активно используются в преобразователях. Стандартная схема модификации включает в себя вентиль, а также транзисторы. В среднем показатель их емкости равняется 2 пФ. Непосредственно проводимость тока составляет не более 3 мк.

Если говорить про модификации на два канала, то у них используются расширители. Устанавливаются они как открытого, так и закрытого типа. Во многих моделях есть регуляторы. Если говорить про выпрямители на четыре канала, то они производятся с модуляторами. Для их работы используются различные триггеры. Чаще всего они встречаются трехразрядного типа.

Модификации с гальванической развязкой

Устройства с гальванической развязкой работают по принципу понижения частоты. Подключаются они только от сети с переменным током. В данном случае транзисторы устанавливаются на 20 пФ. Непосредственно показатель чувствительности равняется 88 мВ. Если говорить про модификации на три канала, то у них применяются импульсные модуляторы. Во многих моделях есть защитные системы, которые помогают справляться с перегрузами. Фильтры используются с лучевыми тетродами.

Что такое сварочный выпрямитель, как он устроен и работает?

Сварочные выпрямители – устройства, назначением которых является преобразование переменного тока в постоянный, что необходимо при работе со средне- и высокоуглеродистыми марками стали, чугуном, цветными металлами и сплавами. Сварка на постоянном токе облегчает формирование аккуратных швов, снижает разбрызгивание металла, повышает прочность сварного соединения.

Конструкционные особенности и принцип действия полупроводниковых сварочных выпрямителей

Конструкция выпрямителя в классическом варианте включает следующие компоненты:

• Диодные мосты. Диоды в сварочных выпрямителях собирают по мостовым схемам – одно- или трехфазной. Востребована трехфазная схема, обеспечивающая стабильность сварочной дуги, она подходит для элементов различной толщины, позволяет осуществлять не только сварку, но и резку. Для резки устанавливают высокое значение силы тока.
• Понижающий трансформатор. На этом устройстве происходит уменьшение напряжения и повышение силы тока.
• Охлаждающая система. Обычно это вентилятор, обеспечивающий постоянный воздушный поток к полупроводниковым элементам, которые нагреваются во время работы. В некоторых аппаратах устанавливают датчики перегрева.
• Датчики контроля напряжения. При напряжении питания, превышающем предельное значение, датчики подают сигнал автомату на отключение.
• Пусковая и измерительная аппаратура.
• Регуляторы, позволяющие установить значения тока в соответствии с толщиной свариваемого металла.

Принцип работы сварочного выпрямителя

• Ток из электросети или от электрогенератора попадает на первичную обмотку понижающего трансформатора.
• На вторичную обмотку поступает ток пониженного напряжения и повышенной силы.
• Ток пониженного напряжения поступает на выпрямительные диодные мосты. Полупроводниковые элементы открывают ток в одном направлении, и закрывают – в противоположном. Производители чаще всего используют селеновые и кремниевые полупроводники. Селеновые элементы стоят недорого и способны выдерживать значительные перегрузки, кремниевые обеспечивают высокий КПД, но плохо переносят перегрузки.

Виды регулирования силы тока на выходе:

• Ступенчатая регулировка – наиболее часто встречающийся вариант. Разные модели могут иметь разный шаг, но в любом варианте такая настройка является грубой.
• Тонкая настройка. Осуществляется методом дроссельного насыщения. Дроссель (комплекс из нескольких катушек) устанавливается между диодами и трансформатором.
• Точная регулировка с использованием тиристорного блока.

Точность регулировки напрямую влияет на удобство проведения работ и качество полученного результата.

Разновидности выпрямительных устройств

В зависимости от внешних характеристик, различают три типа сварочных выпрямителей:

• Крутопадающие внешние характеристики. Такие аппараты востребованы для ручной дуговой сварки и для работы с неплавящимся электродом в среде защитных газов. В устройство выпрямителей входит понижающий трансформатор с высоким рассеиванием магнитного поля. Сварочный ток настраивается путем корректировки дистанции между первичной и вторичной обмотками трансформатора.
• Жесткие внешние характеристики. Выпрямители этого типа используются для сварочных работ с плавящимся электродом в углекислом газе или другой защитной газовой среде, под флюсом, с использованием порошковой проволоки.
• Универсальные. Такие устройства позволяют получать падающие и жесткие внешние характеристики. Поэтому они подходят для широкого перечня сварочных процессов – ручных и автоматизированных, плавящимися и неплавящимися электродами, в газовых средах, под флюсом. В конструкцию входят понижающий трансформатор и дроссели насыщения.

Сварочные выпрямители на диодных мостах с различными техническими характеристиками дают возможность сваривать металлические элементы толщиной от 1 до 50 мм. Они удобны в работе и обслуживании, просты в настройке, мобильны. К недостаткам можно отнести слабую устойчивость к перепадам напряжения питающего тока и длительным коротким замыканиям.

Типы выпрямителей переменного тока.

Какие бывают выпрямители?

Ещё в начале ХХ века имел место очень принципиальный спор между корифеями электротехники. Какой ток выгоднее передавать потребителю на большие расстояния: постоянный или переменный? Научный спор выиграли сторонники передачи переменного тока по проводам высоковольтных линий от подстанции к потребителю. Эта система принята во всём мире и успешно эксплуатируется до сих пор.

Но большинство электронной техники и не только бытовой, но и промышленной питается постоянными напряжениями и это привело к созданию целой отрасли электрики – преобразование (выпрямление) переменного тока. После того как электронная лампа была забыта, главным элементом любого выпрямителя стал полупроводниковый диод.

Схемотехника выпрямителей весьма обширна, но самым простым является однополупериодный выпрямитель.

Однополупериодный выпрямитель.

Напряжение с вторичной обмотки силового трансформатора подаётся на один единственный диод. Вот схема.

Поэтому выпрямитель и назван однополупериодным. Выпрямляется только один полупериод и на выходе получается импульсное напряжение. Форма его показана на рисунке.

Схема проста и не требует большого количества элементов. Это и сказывается на качестве выпрямленного напряжения. При низких частотах переменного напряжения (например, как в электросети — 50 Гц) выпрямленное напряжение получается сильно пульсирующим. А это очень плохо.

Для того чтобы снизить величину пульсации выпрямленного напряжения приходится брать величину конденсатора С1 очень большую, порядка 2000 – 5000 микрофарад, что увеличивает размер блока питания, так как электролиты на 2000 — 5000 мкф имеют довольно большие размеры. Поэтому на низких частотах эта схема практически не используется. Зато однополупериодные выпрямители прекрасно зарекомендовали себя в импульсных блоках питания работающих на частотах 10 – 15 кГц (килогерц). На таких частотах величина ёмкости фильтра может быть очень небольшой, а простота схемы уже не столь сильно влияет на качество выпрямленного напряжения.

Примером использования однополупериодного выпрямителя может служить простой зарядник от сотового телефона. Так как зарядник сам по себе маломощный, то в нём применяется однополупериодная схема, причём как во входном сетевом выпрямителе 220V (50Гц), так и в выходном, где требуется выпрямить переменное напряжение высокой частоты со вторичной обмотки импульсного трансформатора.

К несомненным достоинствам такого выпрямителя следует отнести минимум деталей, низкую стоимость и простые схемные решения. В обычных (не импульсных) блоках питания многие десятилетия успешно работают двухполупериодные выпрямители.

Двухполупериодные выпрямители.

Они бывают двух схемных решений: выпрямитель со средней точкой и мостовая схема, известная, как схема Гретца. Выпрямитель со средней точкой требует более сложного в исполнении силового трансформатора, хотя диодов там используется в два раза меньше чем в мостовой схеме. К недостаткам двухполупериодного выпрямителя со средней точкой можно отнести то, что для получения одинакового напряжения, число витков во вторичной обмотке трансформатора должно быть в два раза больше, чем при использовании мостовой схемы. А это уже не совсем экономично с точки зрения расходования медного провода.

Далее на рисунке показана типовая схема двухполупериодного выпрямителя со средней точкой.

Величина пульсаций выпрямленного напряжения меньше чем у однополупериодного выпрямителя и величину конденсатора фильтра так же можно использовать гораздо меньшую. Наглядно увидеть, как работает двухполупериодная схема можно по рисунку.

Как видим, на выходе выпрямителя уже в два раза меньше «провалов» напряжения — тех самых пульсаций.

Активно применяется схема выпрямителя со средней точкой в выходных выпрямителях импульсных блоков питания для ПК. Так как во вторичной обмотке высокочастотного трансформатора требуется меньшее число витков медного провода, то гораздо эффективнее применять именно эту схему. Диоды же применяются сдвоенные, т.е. такие, у которых общий корпус и три вывода (два диода внутри). Один из выводов — общий (как правило катод). По виду сдвоенный диод очень похож на транзистор.

Наибольшую популярность приобрела в бытовой и промышленной аппаратуре мостовая схема. Взгляните.

Можно без преувеличения сказать, что это самая распространённая схема. На практике вы с ней ещё не раз встретитесь. Она содержит четыре полупроводниковых диода, а на выходе, как правило, ставится RC-фильтр или только электролитический конденсатор для сглаживания пульсаций напряжения.

О данной схеме уже рассказывалось на странице про диодный мост. Стоит отметить, что и у мостовой схемы есть недостатки. Как известно, у любого полупроводникового диода есть так называемое прямое падение напряжения (Forward voltage drop — V_F). Для обычных выпрямительных диодов оно может быть 1 — 1,2 V (зависит от типа диода). Так вот, при использовании мостовой схемы на диодах теряется напряжение, равное 2 x V_F, т.е. около 2 вольт. Это происходит потому, что в выпрямлении одной полуволны переменного тока участвуют 2 диода (затем другие 2). Получается, что на диодном мосте теряется часть напряжения, которое мы снимаем со вторичной обмотки трансформатора, а это явные потери. Поэтому в некоторых случаях в составе диодного моста применяются диоды Шоттки, у которых прямое падение напряжения невелико (около 0,5 вольта). Правда, стоит учесть, что диод Шоттки не рассчитан на большое обратное напряжение и очень чувствителен к его превышению.

Большой интерес вызывает выпрямитель с удвоением напряжения.

Выпрямитель с удвоением напряжения.

Принцип удвоителя напряжения Латура-Делона-Гренашера основан на поочерёдном заряде-разряде конденсаторов С1 и С2 разными по полярности полуволнами входного напряжения. В результате между катодом одного диода и анодом второго диода возникает напряжение в два раза превышающее входное. Схема в студию:)

Стоит отметить, что данная схема применяется в блоках питания нечасто. Но её можно смело использовать, если необходимо вдвое увеличить напряжение, которое снимается со вторичной обмотки трансформатора. Это будет более логичным и правильным решением, чем перематывать вторичную обмотку трансформатора с целью увеличить выходное напряжение вторичной обмотки в 2 раза (ведь при этом придётся наматывать вторичную обмотку с вдвое большим числом витков). Так что, если не удалось найти подходящий трансформатор — смело применяем данную схему.

Развитием схемы стало создание умножителя на полупроводниковых диодах.

Умножитель напряжения.

Каждый диод и конденсатор образуют «звено» и эти звенья можно соединять последовательно до получения напряжения в несколько десятков киловольт. Конечно, для этого входное напряжение тоже должно быть достаточно большим.

На рисунке изображён четырёхзвенный умножитель и на выходе мы получаем напряжение в четыре раза превышающее входное (U). Эти выпрямители получили большое распространение там, где нужно получить высокое напряжение при достаточно малом токе. Например, по такой схеме были выполнены источники высокого напряжения в старых телевизорах и осциллографах для питания анода электронно-лучевой трубки.

Сейчас такие источники питания используются в научных лабораториях, в детекторах элементарных частиц, в медицинской аппаратуре (люстра Чижевского) и в оружии самообороны (электрошокер). При повторении подобных конструкций и подборе деталей, следует учитывать рабочее напряжение, как диодов, так и конденсаторов исходя из напряжения, которое вы хотите получить. Весь умножитель, как правило, заливается специальным компаундом или эпоксидной смолой во избежание высоковольтных пробоев между элементами схемы.

Для нормальной работы некоторых устройств как, например, люстры Чижевского необходимы достаточно высокие напряжения. Как считают специалисты, излучатель отрицательных аэроионов, эффективен только при напряжении не менее 60 киловольт.

Трёхфазные выпрямители.

Устройства, которые используются для получения постоянного тока из переменного трёхфазного тока, называются трёхфазными выпрямителями. Трёхфазные выпрямители в бытовой технике, конечно, не используются. Единственный прибор, который может использоваться в быту это сварочный аппарат. В качестве трёхфазных выпрямителей используются наработки двух известных электротехников Миткевича и Ларионова. Самая простая схема Миткевича называется «три четверти моста параллельно», что означает три силовых диода включенных параллельно через вторичные обмотки трёхфазного трансформатора. Схема.

Коэффициент пульсаций на нагрузке очень мал, что позволяет использовать конденсаторы фильтра небольшой ёмкости и малых габаритов.

Более сложной является схема Ларионова, которая называется «три полумоста параллельно», что это такое хорошо видно из рисунка.

В схеме используется уже шесть диодов и немного другая схема включения. Вообще схем трёхфазных выпрямителей достаточно много и наиболее совершенной, хотя редко употребляемой является схема «шесть мостов параллельно», а это уже 24 диода! Зато эта схема может выдавать высокое напряжение при большой мощности.

Трёхфазные мощные выпрямители используются в электровозах, городском электротранспорте (трамвай, троллейбус, метро), в промышленных установках для электролиза. Так же промышленные системы очистки газовых смесей, буровое и сварочное оборудование используют трёхфазные выпрямители.

Теперь вы знаете, какие бывают выпрямители переменного тока и сможете легко обнаружить их на принципиальной схеме или печатной плате любого прибора. А для тех, кто хочет знать больше, рекомендуем ознакомиться с книгой «Полупроводниковые выпрямители».

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

для чего применяются, принцип действия, ВАХ

Выпрямительный диод особая разновидность диодов, созданные для трансформации переменного тока, если необходимо получить постоянный на входе или выходе. Это не единственная работа, которую выполняют данные диоды. Они нашли свое применение во всех сферах и направлениях радиоэлектроники. Они применяются для создания цепей управления, для коммутации, контроля напряжения, в цепях, где протекает сильный ток. От номинального значения тока, производится классификация выпрямительных диодов. Они бывают следующих видов:

• малой;
• средней;
• высокой.

По сфере применения на диоды из элементов германия (Gr) или кремния (Si). В статье будут описаны все особенности, технические характеристики устройства этих радиодеталей. Также читатель найдет познавательные видеоролики и интересный материал из научной статьи по данной теме.

Выпрямительные диоды.

Технология изготовления и конструкция

Конструкция выпрямительных диодов представляет собой одну пластину кристалла полупроводника, в объеме которой созданы две области разной проводимости, поэтому такие диоды называют плоскостными. Технология изготовления таких диодов заключается в следующем. На поверхность кристалла полупроводника с электропроводностью n-типа расплавляют алюминий, индий или бор, а на поверхность кристалла с электропроводностью p-типа расплавляют фосфор.

Под действием высокой температуры эти вещества крепко сплавляются с кристаллом полупроводника. При этом атомы этих веществ проникают (диффундируют) в толщу кристалла, образуя в нем область с преобладанием электронной или дырочной электропроводностью. Таким образом получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа электропроводности — а между ними p-n переход. Большинство распространенных плоскостных кремниевых и германиевых диодов изготавливают именно таким способом.

Для защиты от внешних воздействий и обеспечения надежного теплоотвода кристалл с p-n переходом монтируют в корпусе.
Диоды малой мощности изготавливают в пластмассовом корпусе с гибкими внешними выводами, диоды средней мощности – в металлостеклянном корпусе с жесткими внешними выводами, а диоды большой мощности – в металлостеклянном или металлокерамическом корпусе, т.е. со стеклянным или керамическим изолятором.

Германиевые диоды.

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.

Материал в тему: Что такое кондесатор

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.

Диодный мост

Диодный мост – это небольшая схема, составленная из 4-х диодов и предназначенная для преобразования переменного тока в постоянный. В отличие от однополупериодного выпрямителя, состоящего из одного диода и пропускающего ток только во время положительного полупериода, мостовая схема позволяет пропускать ток в течение каждого полупериода. Диодные мосты изготавливают в виде небольших сборок заключенных в пластмассовый корпус. Из корпуса сборки выходят четыре вывода напротив которых расположены знаки «+», «—» или «~», указывающие, где у моста вход, а где выход. Но не обязательно диодные мосты можно встретить в виде такой сборки, их также собирают включением четырех диодов прямо на печатной плате, что очень удобно.

Интересный материал для ознакомления: что нужно знать об устройстве силового трансформатора.

Например. Вышел из строя один из диодов моста, если будет стоять сборка, то ее смело выкидываем, а если мост будет собран из четырех диодов прямо на плате — меняем неисправный диод и все готово. На принципиальных схемах диодный мост обозначают включением четырех диодов в мостовую схему, как показано в левой части нижнего рисунка: здесь, диоды являются как бы плечами выпрямительного моста. Такое графическое обозначение моста можно встретить еще в старых журналах по радиотехнике. Однако, на сегодняшний день, в основном, диодный мост обозначают в виде ромба, внутри которого расположен значок диода, указывающий только на полярность выходного напряжения. Теперь рассмотрим работу диодного моста на примере низковольтного выпрямителя. В таком выпрямителе, с использованием четырех диодов, во время каждой полуволны работают поочередно два диода противоположных плеч моста, включенных между собой последовательно, но встречно по отношению ко второй паре диодов.

Диодный мост.

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.

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.

Параметры диодов

Параметров у диодов достаточно много и они определяются функцией, которую те выполняют в конкретном устройстве. Например, в диодах, генерирующих СВЧ колебания, очень важным параметром является рабочая частота, а также та граничная частота, на которой происходит срыв генерации. А вот для выпрямительных диодов этот параметр совершенно не важен. Основные параметры выпрямительных диодов приведены в таблице ниже.

Таблица основных параметров выпрямительных диодов.

В импульсных и переключающих диодах важна скорость переключения и время восстановления, то есть скорость полного открытия и полного закрытия. В мощных силовых диодах важна рассеиваемая мощность. Для этого их монтируют на специальные радиаторы. А вот диоды, работающие в слаботочных устройствах, ни в каких радиаторах не нуждаются. Но есть параметры, которые считаются важными для всех типов диодов, перечислим их:

• U пр.– допустимое напряжение на диоде при протекании через него тока в прямом направлении. Превышать это напряжение не стоит, так как это приведёт к его порче.
• U обр.– допустимое напряжение на диоде в закрытом состоянии. Его ещё называют напряжением пробоя. В закрытом состоянии, когда через p-n переход не протекает ток, на выводах образуется обратное напряжение. Если оно превысит допустимое значение, то это приведёт к физическому «пробою» p-n перехода. В результате диод превратиться в обычный проводник (сгорит).

Очень чувствительны к превышению обратного напряжения диоды Шоттки, которые очень часто выходят из строя по этой причине.

Обычные диоды, например, выпрямительные кремниевые более устойчивы к превышению обратного напряжения. При незначительном его превышении они переходят в режим обратимого пробоя. Если кристалл диода не успевает перегреться из-за чрезмерного выделения тепла, то изделие может работать ещё долгое время.

• I пр.– прямой ток диода. Это очень важный параметр, который стоит учитывать при замене диодов аналогами или при конструировании самодельных устройств. Величина прямого тока для разных модификаций может достигать величин десятков и сотен ампер. Особо мощные диоды устанавливают на радиатор для отвода тепла, который образуется из-за теплового действия тока. P-N переход в прямом включении также обладает небольшим сопротивлением. На небольших рабочих токах его действие не заметно, но вот при токах в единицы-десятки ампер кристалл диода ощутимо нагревается. Так, например, выпрямительный диодный мост в сварочном инверторном аппарате обязательно устанавливают на радиатор.
• I обр.– обратный ток диода. Обратный ток – это так называемый ток неосновных носителей. Он образуется, когда диод закрыт. Величина обратного тока очень мала и его в подавляющем числе случаев не учитывают.
• U стаб.– напряжение стабилизации (для стабилитронов). Подробнее об этом параметре читайте в статье про стабилитрон.

Кроме того следует иметь в виду, что все эти параметры в технической литературе печатаются и со значком “max”. Здесь указывается предельно допустимое значение данного параметра. Поэтому подбирая тип диода для вашей конструкции необходимо рассчитывать именно на максимально допустимые величины.

Диоды высокого тока.

Заключение

В статье описаны все тонкости и нюансы работы и устройства выпрямительных диодов и схема их устройства. Более подробно о них можно узнать из стать Что такое диоды. 

В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.go-radio.ru

www.electrik.info

www.gaw.ru

www.sesaga.ru

Предыдущая

ПолупроводникиКак устроен туннельный диод?

Следующая

ПолупроводникиМаркировка различных видов диодов

Выпрямитель

— Что такое выпрямитель

В
а
большое количество электронных схем, нам требуется постоянное напряжение для
операция. Мы можем легко преобразовать переменное напряжение или переменный ток
в постоянное напряжение или постоянный ток
с помощью устройства под названием P-N
переходной диод.

Один
из наиболее важных применений диода с P-N переходом является
исправление переменного
Ток (AC) в прямой
Ток (постоянный ток).P-N-переходный диод позволяет электрическому
ток только в состоянии прямого смещения и блокирует электрические
ток в условиях обратного смещения. Проще говоря, диод
пропускает электрический ток в одном направлении. Это уникальное свойство
диода позволяет ему действовать как выпрямитель.

Выпрямитель
определение

А
выпрямитель — это электрическое устройство, которое преобразует переменный
Ток (AC) в постоянный ток (DC) с помощью одного или нескольких
P-N переходные диоды.

Что такое
выпрямитель?

Когда
напряжение подается на диод P-N перехода таким образом
что положительный полюс батареи подключен к
Полупроводник p-типа и отрицательная клемма аккумулятора
подключен к полупроводнику n-типа, диод называется
быть вперед
предвзято.

Когда
это прямое напряжение смещения прикладывается к переходу P-N
диод, большое количество свободных
электроны (основные носители) в n-типе
полупроводник испытывает силу отталкивания от
отрицательная клемма аккумулятора аналогично большое количество отверстий (большинство
носители) в р-типе
полупроводник испытывает силу отталкивания от
положительный полюс аккумуляторной батареи.

Как
в результате свободные электроны в полупроводнике n-типа начинают
переходя от n-стороны к p-стороне аналогично отверстия в p-образной
полупроводник начинает двигаться со стороны p на сторону n.

ср
Знайте, что электрический ток означает поток носителей заряда
(свободные электроны и дырки). Следовательно, поток электронов
от стороны n к стороне p и поток отверстий от стороны p к стороне
n-сторона проводит электрический ток.Большинство перевозчиков производят
электрический ток в состоянии прямого смещения. Так что
электрический ток, производимый в состоянии прямого смещения, также
известный как большинство текущих.

Когда
напряжение подается на диод P-N перехода таким образом
что положительный полюс батареи подключен к
полупроводник n-типа и отрицательный полюс батареи
подключен к полупроводнику p-типа, диод называется
быть обратным
предвзято.

Когда
это обратное напряжение смещения подается на переход P-N
диод, большое количество свободных электронов (основных носителей заряда) в
опыт работы с полупроводниками n-типа
сила притяжения от положительной клеммы аккумулятора
аналогично большое количество дырок (основных носителей) в
Полупроводник p-типа испытывает притяжение со стороны
отрицательная клемма аккумуляторной батареи.

Как
в результате свободные электроны (основные носители) в n-типе
полупроводник удаляется от P-N перехода и притягивается
к положительной клемме аккумулятора аналогично отверстиям
(основные носители) в полупроводнике p-типа удаляется
от соединения P-N и притягивается к отрицательной клемме
батареи.

Следовательно,
электрический ток не проходит через P-N
соединение.Однако миноритарные перевозчики (бесплатно
электронов) в полупроводнике p-типа испытывают отталкивающее
усилие с отрицательной клеммы аккумулятора аналогично
неосновные носители (дырки) в полупроводнике n-типа
испытать отталкивающую силу от положительного вывода
аккумулятор.

Как
В результате неосновные носители свободных электронов в p-типе
полупроводник и дырки неосновных носителей в n-типе
полупроводник начинает течь через переход.Таким образом,
электрический ток создается в диоде обратного смещения из-за
миноритарные перевозчики. Однако электрический ток производил
по неосновным перевозчикам очень мало. Так что меньшинство
ток несущей в состоянии обратного смещения не учитывается.

Таким образом,
диод P-N перехода пропускает электрический ток в прямом смещении
состояние и блокирует электрический ток в обратном смещении
состояние.Проще говоря, диод с P-N переходом позволяет
электрический ток только в одном направлении. Это уникальное свойство
диода позволяет ему действовать как выпрямитель.

Напряжение прямого и обратного смещения, приложенное к диоду, составляет
ничего, кроме постоянного напряжения. Напряжение постоянного тока производит ток
который всегда течет в одном направлении (либо вперед
или в обратном направлении).

Но
напряжение переменного тока производит ток, который всегда меняет свое
направление много раз в секунду (вперед-назад и
назад вперед).

ср
наблюдали, как диод ведет себя при постоянном напряжении (вперед
напряжение смещения и обратное напряжение смещения). Сейчас
давайте посмотрим на диод P-N перехода, когда напряжение переменного тока
применяется к нему.

Переменное напряжение или переменный ток часто представляется синусоидальной
форма волны, тогда как постоянный ток представлен прямой
горизонтальная линия.

В
синусоидальной формы волны, верхний полупериод представляет
положительный полупериод, а нижний полупериод представляет собой
отрицательный полупериод.

положительный полупериод переменного напряжения аналогичен
прямое смещение постоянного напряжения и отрицательный полупериод переменного тока
Напряжение аналогично обратному напряжению смещения постоянного тока.

чередование
ток начинается с нуля и увеличивается до максимального прямого тока или
пиковый положительный ток. Положительный пик синусоидальной
Форма волны представляет собой максимальный или пиковый прямой ток. После
достигнув пикового прямого тока, он начинает уменьшаться и
достигает нуля.

После
короткий период, переменный ток начинает увеличиваться в
в обратном или отрицательном направлении и увеличивается до пика в обратном направлении
ток или пиковый отрицательный ток.Отрицательный пик
синусоидальная форма волны представляет собой максимальное или пиковое обратное
текущий. После достижения пикового обратного тока запускается
уменьшается и достигает нуля. Точно так же чередующиеся
ток непрерывно меняет свое направление за короткий период.

Когда
Переменное напряжение или переменный ток подается на переход P-N.
диод, во время положительного полупериода диод направлен вперед
смещен и пропускает через него электрический ток.Однако когда
переменный ток меняет свое направление на отрицательный полупериод,
диод имеет обратное смещение и не допускает электрического
ток через него. В
простыми словами, во время положительного полупериода диод позволяет
тока и во время отрицательного полупериода диод блокируется
текущий. Таким образом, электрический ток протекает только через диод.
в течение положительного полупериода переменного тока.

Это
ток, протекающий через диод, есть не что иное, как постоянный ток
текущий. Таким образом, диод P-N-перехода действует как выпрямитель,
преобразование переменного тока в постоянный.

Однако,
постоянный ток, производимый основным выпрямителем (полуволна
выпрямитель) не является чистым постоянным током. Это пульсирующий постоянный ток
текущий.

пульсирующий
постоянный ток — это тип постоянного тока, значение которого изменяется
за короткий период.

пульсирующий
Постоянный ток начинается с нуля и увеличивается до максимального вперед
ток (пиковый уровень) и уменьшается до нуля. Тем не менее
пульсирующий постоянный ток не меняет своего направления
периодически люблю переменный ток.

пульсирующий
Постоянный ток всегда течет в одном направлении, как чистый постоянный ток.
текущий. Однако значение пульсирующего постоянного тока или
пульсирующее напряжение постоянного тока незначительно изменяется за определенный период.В
электрический ток, производимый батареями, источниками питания и
солнечные панели — это чистый постоянный ток.

Автор
используя комбинацию компонентов, таких как конденсаторы,
индукторы и резисторы в цепи, мы можем добиться
сглаживание пульсирующего постоянного тока до чистого постоянного тока.

Типы
выпрямителей

выпрямители
в основном делятся на два типа:

• Полуволна
  выпрямитель
• Полная волна
  выпрямитель

Половина
волновой выпрямитель

Как
название предполагает, половина
волновой выпрямитель — это тип выпрямителя, который преобразует
половина входного сигнала переменного тока (положительный полупериод) в
пульсирующий выходной сигнал постоянного тока и оставшаяся половина сигнала
(отрицательный полупериод) заблокирован или утерян.В полуволне
В схеме выпрямителя мы используем только один диод.

Полный
волновой выпрямитель

полная волна
выпрямитель — это тип выпрямителя, который полностью преобразует
Входной сигнал переменного тока (положительный полупериод и отрицательный полупериод)
на пульсирующий выходной сигнал постоянного тока. В отличие от полуволнового выпрямителя,
входной сигнал не теряется в двухполупериодном выпрямителе.В
КПД двухполупериодного выпрямителя высок по сравнению с
однополупериодный выпрямитель.

Выпрямитель
практичный
пример

В
в наших домах почти вся электроника работает от сети переменного тока.
текущий. Однако некоторые электронные устройства, такие как ноутбуки
или ноутбуки преобразуют этот переменный ток в постоянный
прежде, чем они потребляют энергию.

Адаптер переменного тока ноутбука, подключенный к источнику переменного тока, преобразует
высокое напряжение переменного тока или высокий ток переменного тока в низкое напряжение постоянного тока или
низкий постоянный ток. Этот слабый постоянный ток подается на ноутбук.
аккумулятор, и это то, что мы назвали зарядкой ноутбука. Однако,
ноутбук не включится, если вы не включите его вручную
нажатием кнопки включения. При нажатии на ноутбук «power
на кнопку «, аккумулятор ноутбука начинает подачу постоянного тока.

ср
забыли важный шаг; как адаптеры переменного тока преобразуют
высокое напряжение переменного тока или высокий ток переменного тока в низкое напряжение постоянного тока или низкое
Постоянный ток.

Адаптеры переменного тока состоят из всех основных компонентов, необходимых для
Преобразование переменного тока в постоянный.

Эти
компоненты
представляют собой трансформатор, конденсатор и несколько диодов.Из этих
компонентов, основным ключевым компонентом является диод, который преобразует
переменный ток в постоянный ток.

трансформатор
в адаптере переменного тока снижает высокое напряжение переменного тока до низкого.
напряжение.

выпрямитель (состоящий из диодов) преобразует это низкое переменное напряжение или
Переменный ток в низкое постоянное напряжение или постоянный ток.Тем не менее
преобразованный ток не является чистым постоянным током. Это пульсирующий постоянный ток
текущий.

конденсатор фильтрует этот пульсирующий постоянный ток до чистого постоянного
текущий.

.

Различные типы выпрямителей и их работа

Схема выпрямителя

Как общая часть всех цепей электронных источников питания, выпрямительная цепь обеспечивает питание постоянного тока от имеющегося источника переменного тока для правильной работы электронного оборудования. В зависимости от типа применения, эта конфигурация и типы выпрямителя различаются, например, диодные выпрямители, выпрямители с фазовым управлением и т. Д., Но каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Схема выпрямителя может быть реализована с различными твердотельными электронными или электрическими компонентами, такими как диоды, тиристоры, полевые МОП-транзисторы и так далее.На этих компонентах используется выпрямитель, работа которого изменяется для получения требуемой мощности. Прежде чем узнать его типы, дайте нам знать вкратце, что такое выпрямитель.

Что такое выпрямитель?

Выпрямитель — это схема, которая используется для преобразования источника переменного тока в однонаправленный источник постоянного тока. Этот процесс преобразования переменного тока (AC) в постоянный (DC) также называется выпрямлением. Эти мостовые выпрямители доступны в различных корпусах в виде модулей от нескольких ампер до нескольких сотен ампер.В основном в схемах мостовых выпрямителей полупроводниковый диод используется для преобразования переменного тока, поскольку он позволяет току течь только в одном направлении (однонаправленное устройство).

Что такое выпрямитель

Выбор мостового выпрямителя

зависит от требований к нагрузке, и, помимо этого, некоторые дополнительные соображения включают номинальные характеристики компонентов, напряжение пробоя, номинальный прямой ток, номинальный переходный ток, диапазоны температур, требования к установке и т. Д. Мы можем подключать диоды в различных конфигурациях для получения различных типов. выпрямителей.

Типы выпрямителей

Выпрямители

подразделяются на множество конфигураций, как показано на рисунке ниже. Эти выпрямители классифицируются в зависимости от таких факторов, как тип источника питания, конфигурация моста, характер управления, используемые компоненты и т. Д. В основном выпрямители подразделяются на однофазные и трехфазные выпрямители, а затем подразделяются на неуправляемые, полууправляемые и полностью управляемые выпрямители. Давайте вкратце рассмотрим некоторые из этих типов выпрямителей.

Типы выпрямителей

Однофазные неуправляемые выпрямители

В выпрямителях этого типа используется неуправляемый диод для выпрямления входного переменного тока. На выходных клеммах этого выпрямителя мощность становится постоянной, и изменение ее величины или значения в зависимости от требований нагрузки невозможно.

Полуволновой выпрямитель

Это простой тип выпрямителя, состоящий из одного диода, который включен последовательно с нагрузкой. Для небольших уровней мощности обычно используется этот тип выпрямительной схемы.

Полуволновой выпрямитель

Во время положительной половины входа переменного тока диод смещается в прямом направлении, и через него начинают протекать токи. Во время отрицательной половины входа переменного тока диод становится смещенным в обратном направлении, и ток перестает течь через него. Форма выходного сигнала на нагрузке показана на рисунке. Из-за высокой пульсации на выходе этот тип выпрямителя редко используется с чисто резистивной нагрузкой.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

В выпрямителе этого типа используются два диода и трансформатор с центральной вторичной обмоткой с ответвлениями.Во время положительного полупериода входного переменного тока диод D1 смещен в прямом направлении, и через него начинает течь ток к нагрузке. Во время отрицательной половины входной диод D2 смещен в прямом направлении, а D1 становится смещенным в обратном направлении. Ток нагрузки начинает течь через D2 во время этого отрицательного пика. Обратите внимание, что ток, протекающий через нагрузку, не изменился даже при изменении полярности напряжения.

Полноволновой выпрямитель с центральным отводом

Достоинствами этого выпрямителя являются более низкий коэффициент пульсаций и более высокий КПД, но необходимость трансформатора с центральным ответвлением вторичной обмотки является основным недостатком и делает схему более дорогой.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Используя такое же вторичное напряжение, этот мостовой выпрямитель может почти вдвое увеличить выходное напряжение по сравнению с двухполупериодным трансформаторным выпрямителем с центральным ответвлением. Во время положительной половины входного переменного тока диоды D1 и D2 смещены в прямом направлении, а D3 и D4 — в обратном. Таким образом, ток нагрузки протекает через диоды D1 и D2. Во время отрицательного полупериода входные диоды D3 и D4 смещены в прямом направлении, а D1 и D2 — в обратном. Следовательно, ток нагрузки протекает через диоды D3 и D4.

Полноволновой мостовой выпрямитель

Однофазные полууправляемые выпрямители

В управляемых выпрямителях

для управления выходом используются тиристоры вместо диодов. Регулируя время срабатывания тиристоров (или MOSFET и IGBT), мы можем управлять напряжением и током через нагрузки, и этот процесс называется методом фазового управления выпрямлением.

Однофазные полууправляемые выпрямители

Схема однофазного полууправляемого выпрямителя показана ниже, где используются два диода и два тиристора, подключенные поперек нагрузки.Каждая ножка состоит из одного подруливающего устройства и одного диода, и за каждую проводимость отвечают два компонента ножки. Однако тиристоры T1 и T3 или диоды D2 и D4 не могут вести себя одновременно.

Во время положительного полупериода входа T1 и D2 смещены в прямом направлении. При срабатывании T1 ток нагрузки протекает через T1 и D2. Если напряжение проходит через отрицательный переход через нуль входного напряжения, D4 переходит в проводимость, коммутируя D2, и тогда напряжение нагрузки становится равным нулю.

Формы сигналов полууправляемого выпрямителя

Во время отрицательного полупериода T3 и D4 смещены в прямом направлении, и когда срабатывает T3, ток нагрузки начинает течь через T3 и D4. Аналогичным образом при переходе через нуль D2 переходит в проводимость, коммутируя D4. Как видно на рисунке ниже, ток нагрузки всегда остается выше нуля, это называется режимом непрерывной проводимости выпрямления постоянного тока. Также на рисунке показан прерывистый режим работы.

Однофазный полностью управляемый выпрямитель

Этот тип выпрямительной схемы на основе силовой электроники является наиболее популярным и широко используется для управления скоростью двигателей постоянного тока.Эта схема получается путем замены всех диодов, используемых в неуправляемых или полууправляемых выпрямителях, на тиристоры, как показано на рисунке. Из схемы мы можем видеть, что один тиристор из верхней группы (T1, T3) и один тиристор из нижней группы (T2, T4) должны проводить ток нагрузки. Однако T1T3 или T2T4 не могут проводить одновременно.

Однофазный полностью управляемый выпрямитель

Во время положительного полупериода входного сигнала T1 и T2 смещены в прямом направлении, и когда они срабатывают или запускаются, они начинают проводить, так что ток нагрузки течет через них.Во время отрицательного полупериода входного переменного тока T3 и T4 находятся в состоянии прямой блокировки, и когда к ним применяется стробирующий импульс, они включаются, и через них начинает течь ток нагрузки. В то же время на T1 и T2 отрицательное напряжение вызывает немедленную коммутацию этих тиристоров. Этот процесс повторяется для каждого цикла, как показано на рисунке ниже.

Форма сигналов полностью управляемого выпрямителя

Это несколько типов выпрямителей, которые часто используются в нескольких приложениях, включая все электронные и электрические проекты.В этой статье рассматривается только однофазный выпрямитель для облегчения понимания и не делает этот документ сложным. Мы надеемся, что читатели могли лучше ответить на вопрос, что такое выпрямитель и его типы. Любые дальнейшие вопросы по этой теме или практическое руководство по созданию электронных проектов вы можете прокомментировать ниже.

Фото:

Просмотры сообщений:
13 562

.

Сравнение различных типов выпрямителей и их работы

Различные типы выпрямителей

В большом количестве электрических и электронных схем для их работы требуется постоянное напряжение. Мы можем просто преобразовать переменное напряжение в постоянное, используя устройство, называемое диодом с PN переходом. Одним из наиболее важных применений диодов с PN переходом является выпрямление переменного тока в постоянный. Диод с PN-переходом пропускает электрический ток только в одном направлении, то есть в состоянии прямого смещения, и блокирует электрический ток в состоянии обратного смещения.Это единственное свойство диода позволяет ему работать как выпрямитель. В этой статье обсуждаются различные типы выпрямителей и их сравнение.

Различные типы выпрямителей

Выпрямитель — это электрическое устройство, состоящее из одного или нескольких диодов, которые пропускают ток только в одном направлении. Он в основном преобразует переменный ток в постоянный. Выпрямители могут быть отлиты в нескольких формах в зависимости от необходимости, например, полупроводниковые диоды, SCR (кремниевые выпрямители), вакуумные ламповые диоды, ртутные дуговые клапаны и т. Д.В наших предыдущих статьях мы подробно рассказывали о диодах, их типах. Но здесь мы собираемся дать подробную информацию о выпрямителях, типах выпрямителей и их применениях и т. Д.

Работа с различными типами выпрямителей

Для обнаружения сигналов и выпрямления мощности, схемы диодных выпрямителей широко используются при проектировании электронных схем. , которые используются в различных устройствах, таких как радиосигналы или детекторы, источники питания постоянного тока, бытовая техника, такая как игровые системы, ноутбуки, телевизоры и т. д.

Выпрямители подразделяются на различные конструкции в зависимости от факторов, а именно, типа источника питания, конфигурации моста, используемых компонентов, характера управления и т. Д. В основном они делятся на два типа: однофазные и трехфазные выпрямители. Другие выпрямители подразделяются на три типа: неуправляемые, полууправляемые и полностью управляемые выпрямители. Давайте вкратце рассмотрим некоторые из этих типов выпрямителей.

Однополупериодный выпрямитель

В этом типе выпрямителя, когда на входе подается переменный ток, на нагрузке становится виден только положительный полупериод, в то время как отрицательный полупериод скрывается.В однофазном питании ему нужен один диод, а в трехфазном — три диода. Это невозможно, потому что только половина сигналов i / p достигает выхода. Чтобы уменьшить пульсации частоты переменного тока от o / p, в цепи однополупериодного выпрямителя требуется дополнительная фильтрация.Подробнее о принципе работы и характеристиках схемы полуволнового выпрямителя можно найти по ссылке

Полупериодный выпрямитель

Full Wave Выпрямитель

В этом типе выпрямителя во время обоих полупериодов, когда питание переменного тока подается на i / p, ток через нагрузку течет в одном направлении.Эта схема обеспечивает более высокое стандартное выходное напряжение за счет изменения обеих полярностей формы волны i / p на пульсирующий постоянный ток. Такого рода выпрямление может быть достигнуто при использовании хотя бы двух кристаллических диодов, проводящих ток по-разному. Во время как положительного, так и отрицательного полупериода входного переменного тока следующие две цепи, а именно двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением и двухполупериодный мостовой выпрямитель, используются для получения одинакового направления тока в нагрузочном резисторе. ссылка, чтобы узнать больше о схеме двухполупериодного выпрямителя с рабочей теорией

Полнополупериодный выпрямитель

Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением

В этой схеме выпрямителя используется трансформатор с вторичной обмоткой, отводимой в центральной точке.В схему включены два диода, так что каждый из них использует половину цикла входного переменного напряжения. Для выпрямления один диод использует переменное напряжение, показывающее верхнюю половину вторичной обмотки, а другой диод использует нижнюю половину вторичной обмотки. КПД и КПД этой схемы высоки, потому что источник переменного тока обеспечивает питание обеих половин.

Двухполупериодный выпрямитель с центральным ответвлением

Полнополупериодный мостовой выпрямитель

Схема мостового выпрямителя — одна из эффективных форм двухполупериодного выпрямителя, в которой используются четыре диода в мостовой топологии.Вместо трансформатора с центральным ответвлением используется обычный трансформатор. Электропитание переменного тока, подлежащее выпрямлению, подается на противоположные по диагонали концы моста, а нагрузочный резистор подключается к остальным двум разным по диагонали концам моста.

Полнополупериодный мостовой выпрямитель

Сравнение выпрямителей

Сравнение различных типов выпрямителей по разным точкам приведено в таблице ниже.

Это несколько типов выпрямителей, обычно используемых для многочисленных приложений, включая все электронные и электрические проекты. Мы надеемся, что читатели получили более точный ответ на вопрос, какова функция выпрямителя. Любые дополнительные вопросы относительно этой концепции или практического руководства по созданию электронных проектов вы можете прокомментировать ниже.

.Определение

в кембриджском словаре английского языка

Цезий во внутриклеточном растворе блокирует калиевые каналы, как выпрямитель с задержкой , и инактивирует калиевые каналы.

Электропроводность и кинетика калиевых каналов отсроченного выпрямителя в узловых клетках сердца кролика.

Эти примеры взяты из Cambridge English Corpus и из источников в Интернете. Любые мнения в примерах не отражают мнение редакторов Cambridge Dictionary, Cambridge University Press или ее лицензиаров.

Еще примеры
Меньше примеров

Иногда ток проходит между жидкостью и газом, как при дуговой сварке, дуговых печах или ртутных выпрямителях.Мочевой пузырь имеет официальную позицию регионального выпрямителя .

Галл имеет официальную позицию выпрямитель .Теоретический анализ откликов выпрямителей на сумму двух входных синусоид и приложения к моделированию нейронных сетей.

Калий внутрь выпрямитель открывается только при потенциалах более гиперполяризованных, чем равновесный потенциал калия..